什么是集成电路焊接工艺?

什么是集成电路焊接工艺?

[拼音]：jicheng dianlu hanjie gongyi

[外文]：bonding technique of integrated circuit

集成电路制造中的焊接工艺包括两方面，一是电路芯片焊接，另一是内引线焊接。

芯片焊接

将分割成单个电路的芯片，装配到金属引线框架或管座上。芯片焊接工艺可分为两类。

（1）低熔点合金焊接法：采用的焊接材料有金硅合金、金镓合金、铟铅银合金、铅锡银合金等。

（2）粘合法:用低温银浆、银泥、环氧树脂或导电胶等以粘合方式焊接芯片。

应用较广、可靠性较高的是用98％的纯金和 2％的硅配制成的金硅合金片（最低共熔点为 370℃）。在氮气和氢气保护下或在真空状态下，金硅合金不仅能与芯片硅材料形成合金，而且也能同时与金属引线框架上局部镀层的金或银形成合金，从而获得良好的欧姆接触和牢固的焊接效果（图1）。

集成电路塑料封装中，也常采用低温(200℃以下)银浆、银泥或导电胶以粘合的形式进行芯片焊接。另外，烧结时（即芯片粘完银浆后烘焙），气氛和温度视所采用的银浆种类不同而定。低温银浆多在空气中烧结，温度为150～250℃；高温银浆采用氮气保护，烧结温度为380～400℃。

内引线焊接

把电路芯片上已金属化的电路引出端或电极，与装配芯片的金属引线框架或外壳引出电极线一一对应连接起来的焊接工艺。内引线焊接工艺是在芯片焊接完成后的一道焊接工序，常用的方法有热压焊接法、超声波压焊法、热超声焊接法（球焊法）、平面焊接法和梁式引线焊接法等。

热压焊接法

内引线的热压焊接法既不用焊剂，也无需焙化，对金属引线（硅铝丝或金丝）和芯片上的铝层同时加热加压（温度一般为350～400℃，压力为8～20千克力/毫米2），就能使引线和铝层紧密结合。热压焊接的原理是，铝合金为面心立方晶格结构，每一铝原子或金原子和其他原子形成八个稳定的金属键，在其表面的原子有二个金属键不饱和。这些原子在较高的温度下增加活动能量，再加上一定的压力促使金丝引线产生塑性形变，破坏原有的界面原子结构。这时，金丝上的金原子与电路芯片上引出端的铝原子紧密结合，重新排列其间的晶格形成牢固的金属键。因此热压焊接法也就是热压键合过程。

热压焊接工艺按内引线压焊后的形状不同分为两种：球焊(丁头焊)和针脚焊。两种焊接都需要分别对焊接芯片的金属框架、空心劈刀进行加热（前者温度为 350～400℃，后者为150～250℃），并在劈刀上加适当的压力。首先，将穿过空心劈刀从下方伸出的金丝段用氢氧焰或高压切割形成圆球，此球在劈刀下被压在芯片上的铝焊区焊接，因为它形成钉头一样的焊点，故称为丁头焊或球焊。利用此法进行焊接时，焊接面积较大，引线形变适度而且均匀，是较为理想的一种焊接形式。随后将劈刀抬起，把金丝拉到另一端（即在引线框架上对应于要相联接的焊区），向下加压进行焊接，所形成的焊点称为针脚焊。上述 *** 作仅完成一条内引线的焊接（图2)。热压焊接法有其局限性：

（1）焊接温度过高，不适于对工作温度较低的电路芯片进行焊接；

（2）压力和温度难以除去铝丝表面和芯片上铝焊区表面的氧化膜，此法不能用铝丝作为引线进行焊接。

超声波压焊法

60年代初，超声波焊接技术开始应用于集成电路的内引线焊接。超声波压焊的原理是由超声波发生器产生几十千赫的超声振荡电能，通过磁致伸缩换能器产生超声频率的机械振动。压焊劈刀镶在端部的适当位置上，劈刀必然同时产生一种称为交变剪切应力的机械振动。同时，在劈刀上端施加一定的垂直压力，在这两种力的共同作用下，通过时间的控制使劈刀下的铝丝发生有规律的蠕动。铝丝和芯片铝焊区表面的氧化膜受到破坏，同时由于摩擦，在界面上产生一定的热量使焊接处的铝丝和芯片上的铝焊区都产生一定的塑性形变，使铝原子金属键紧密接触而形成牢固的键合。超声波压焊是用铝丝（一般含硅1％）作引线，工作温度又低，不但广泛用于各种电路的内引线焊接，而更适于对温度要求严格的 MOS器件、微波器件和高频器件的内引线焊接。超声压焊法的工艺条件要求严格。

为得到高抗拉强度的焊接点须选择最佳的焊接条件，这取决于超声振动功率、压力和超声振动时间等因素，要使三者之间相互匹配，压焊设备应调整出最佳工作点进行焊接。

热超声焊接法(球焊法)

此法以热压焊法和超声波压焊法为基础，所用设备分别为热压焊机、超声波压焊机和球焊机。这是广泛采用的内引线焊接方法之一，其特点是：

（1）工作温度（200～250℃）低于热压焊法的工作温度；

（2）所用的压焊劈刀不用加热而由超声振动产生热能；

（3）采用金丝为引线，并以球焊形式进行焊接。三种内引线焊接法的焊接质量，都需要用一个精密的引线抗拉强度测定器（拉力计）进行检查和控制。

随着集成电路芯片内引线数量的不断增加，这种一步一次一个焊接点的焊接技术无论在质量上和效率上都不能满足大规模集成电路的需要。1960年，在梁式引线和面键合焊接技术基础上又研究成功梁式引线载带自动焊接芯片的新工艺，使用镂空的引线框架(称为载带)将所有的引线与芯片上的金属焊点一次性同时焊接上。这种组焊方法的可靠性和效率都很高。