[发明专利]半导体芯片与衬底的焊接

说明书

发明的领域

本发明一般涉及到一种方法以及用半导体芯片与衬底的所述焊接方法生产的器件，更确切地说是涉及到将所述半导体芯片焊接到射频功率晶体管中的封壳的方法。

发明的背景

目前，芯片是采用易熔金-硅的焊接工艺被安装在射频功率晶体管和射频功率模块中的。所用的封壳常常是被镍和比较厚的金层(2-5μm)合金化的。待要安置在封壳中的芯片(晶体管、电阻器和电容器)的底部表面上提供有非常薄的金。此金层的作用是防止芯片底部表面被氧化。当使用金-硅时，封壳被加热到温度为400-450℃，然后将芯片分别置于封壳上，并来回摩擦，直至在芯片中的硅与封壳上的金之间形成合金。要确定何时开始形成合金是不可能的。因此，工艺中的这一步骤通常是手工进行的，以便操作人员能够观察何时形成了合金以及何时达到了有效的焊接。

虽然在这一焊接工艺中，封壳(芯片下方)上的全部金被消耗了，但芯片中仍然剩余了大量的硅。这些剩余的硅能够迁移进入熔融的AuSi合金中，并以硅晶体的形式沉淀出来。在提高了的温度下以及用力机械摩擦时，这一过程被加速。因此，由于过量的硅晶体会集中在熔融的Au-Si合金中，故不适合于或不可能用机械方式或用超声来实现这一摩擦过程。熔融合金中过量硅晶体的缺点是熔体获得了粘滞稠度，从而不向外流动和有效地润湿表面。

这些硅晶体将有效地包封可能已经形成在芯片与封壳之间的任何气泡。这种气泡极大地降低了芯片与封壳之间的热导率。由封壳上的金和芯片中的硅形成的AuSi合金结的总厚度绝对不能大于金厚度的大约50％。这样，当金的厚度约为4μm时，结的厚度将仅仅为大约6μm。这就对封壳的表面平整度即光滑性有高的要求，因为否则的话，芯片与封壳之间就可能出现焊料不足。

通常都知道，能够以预制的方式在芯片与封壳之间涂敷额外的AuSi焊料。由于这种预制的尺寸小，故要做到这一点常常是非常困难而昂贵的。要加工材料厚度小于大约25μm的预制件，实际上是不可能的。然而，这种厚度的结会使芯片与封壳之间的热阻提高到不可接受的程度。

发明的概述

半导体与衬底例如射频功率晶体管中的封壳的已知焊接技术的一个问题是，焊接过程在各个芯片本身的焊接中要求手工加工步骤。

已知技术的另一问题是，硅晶体的形成阻碍了焊料的流动，从而导致气泡被夹裹。这些气泡易于阻碍热从芯片传输出去。

已知技术的又一问题是，SiAu的高的凝固温度导致芯片与封壳之间高的机械应力，从而对芯片的尺寸设置了上限。若超过这一限度，芯片将会破裂。

已知技术的再一问题是，为了防止机械应力使芯片破裂，必须代之以安装几个小的芯片，从而增加了这方面的成本。

已知技术的另一问题是，安装芯片时的高的工作温度(400-450℃)意味着原子能够从金层下方的镍层向上扩散穿过所述金并被氧化，从而引起键合和焊接问题。这个问题必须用特殊的镀镍技术和表面上的厚金层来抵消，而对于AuSi焊接目的来讲，实际上不需要厚的金属。

已知技术的另一问题是，芯片安装过程招致的高的工作温度，意味着实际封壳的各个零件必须在790℃下与熔点更高的硬焊料即含铜高的焊料例如AgCu结合在一起。由于适合于本文的那些金属和陶瓷不具有彼此相同的热膨胀系数，故金属与陶瓷在这样高的温度下结合，在结冷却之后会引起高的机械应力。这就限制了封壳的设计。例如，不可能在封壳中采用最佳的金属铜和陶瓷AlN，因为这些材料的膨胀系数彼此差异太大了。

已知技术的另一问题是，形成的比较薄的焊料连结对封壳的表面平整度有很高的要求，因为否则的话会出现焊料不足，导致不是所有的芯片被有效地焊接。这极大地降低了芯片与封壳之间的热导率。

本发明借助于提供一种将半导体芯片焊接到诸如射频功率晶体管中的封壳之类的衬底的方法，来处置这些问题。半导体芯片首先被提供有由第一材料组合物组成的粘合层。然后在此粘合层上排列由第二材料组合物组成的可焊接层。再在可焊接层上排列由第三材料组合物组成的抗氧化层。由金-锡合金组成的焊料层然后被涂敷在抗氧化层上。芯片经由所述金-锡焊料被置于可焊接的封壳表面上。封壳和芯片被暴露于加有还原气体的惰性气氛，在将焊料中的金-锡合金加热到其熔点以上的温度的过程中，使封壳和芯片处于明显低于大气压的压力。在金-锡焊料处于熔融状态的情况下，提高气压，并在超过预定气压时降低温度，使金-锡合金固化。

根据本发明方法的一个优选实施方案，第一材料组合物是钛-钨组合物(TiW)，第二材料组合物是镍(Ni)，而第三材料组合物是金(Au)。