浅谈烧氢炉烧结质量控制方法

赵兴江

（中国振华集团永光电子有限公司，贵阳550000）

浅谈烧氢炉烧结质量控制方法

赵兴江

（中国振华集团永光电子有限公司，贵阳550000）

为了严格把控烧结工序质量，我们通过对烧结原理的研究，从人、机、料、法、环等各个方面进行分析，从中找出薄弱环节并进行控制。

烧结工艺；影响因素；控制方法；试验方法

在半导体器件生产过程中，烧结是一道关键工序，它的目的是在高温的作用下，通过金硅共融或焊料烧结的方式将管芯牢固地烧结在底座上。

1　烧结原理

烧结是半导体器件后部组装生产线的第一道工序，它的目的是通过焊料熔融实现焊料与管芯背面和底座表面的浸润，然后通过冷却的方式使焊料固化，实现管芯背面和底座表面的牢固黏结。该工艺在实现过程中可以通过烧氢炉、链式炉或真空炉的方式来实现，笔者主要描述采用传统烧氢炉烧结管芯的工艺。

2　烧结工艺过程

采用烧氢炉进行管芯的烧结是一种传统的烧结工艺，该工艺的原理是：先通入氮气将炉管中的空气排放干净，然后缓慢通入氢气并点火，同时缓慢关闭氮气，直至氮气全部关闭，氢气流量达到设定流量值。通过装载舟（一般采用钼舟）将装配好的产品缓慢推入烧氢炉的恒温区，待烧结完成后，将产品拖到冷却区进行冷却，待冷却完成后再将产品取出。

3　烧结质量的影响因素和控制方法

烧结本身是一个让焊料融化和固化的过程，实际的烧结温度过高或过低都会严重影响产品的烧结效果，同时管芯、焊料以及底座的表面状态也是影响焊料浸润的关键因素。因此，焊料的选择、产品热容量的大小、炉温的稳定性和工艺条件的设定以及各原材料的表面状态对其烧结质量的影响均非常大。

3.1焊料的选择

根据管芯背面金属化层的不同，考虑同质金属融合可靠性高于异质金属融合可靠性，我们针对背面金属化层为金或钛镍金的产品，一般选用熔点为280℃的金锡（Au80Sn20）焊料作为焊接焊料；针对背面金属化层为银或钛镍银的产品，一般选用熔点为280℃的铅锡银（Pb92.5Sn5Ag2.5）焊料作为焊接焊料。

3.2炉温的稳定性

炉温是实现焊料融化、管芯和底座黏结的最关键因素，因此炉温的稳定性是直接关乎产品的烧结质量。为了最大限度地保障炉温的稳定性，我们采用二级校准的方法对炉温进行校准。第一级检测静态情况下烧结炉的控温效果，第二级检测动态情况下烧结炉的控温效果。

3.3产品热容量的确定

热容量一般无法直接测定，只能通过不同材质的热容系数、体积大小和温差进行计算，且需要烧结的产品由于采用了各类工装，因此其体积和材质均包含很多种类且形态各异，因此不便直接计算，常规采用工艺摸底的方式来确定炉内再次达到动平衡的时间。

3.4工艺条件的确定

工艺条件是保障产品质量的关键因素，为了找到合适的烧结工艺条件，我们制定了工艺试验方案，并进行试验对比摸底和确认。由于产品的烧结质量取决于焊料的熔融状态，焊料的熔融状态取决于烧结温度、烧结时间。只要保证烧结温度稳定，调整合理的烧结时间，一定能找到合适的烧结工艺，保证产品的烧结质量，而造成产品烧结不良的因素主要有三个：第一，烧结温度不合理。第二，烧结温度不稳定。第三，烧结时间不合理。

我们首先根据焊料熔点为280℃的实际和以往的经验，将烧结工艺温度设置为325℃，然后按照正交试验法预设了多种工艺试验条件，同时进行了可靠性考核，其结果表明：采用“预热5min+烧结15min+冷却5min”工艺条件生产的产品质量是最稳定和可靠的，因此其工艺条件也是最合理的。试验结果如表1：

表1　烧结工艺摸底试验表Tab.1 Sintering process diagnostic test table

3.5原材料的表面状态处理

烧结过程中采用的管芯、零件、焊料、过渡电极片等各类原材料存放时间、存放环境均不同，其表面是否存在沾污或氧化的状态都是千差万别的。因此，为了保证上述工艺的稳定性，生产前必须对所有的原材料表面进行处理。常规的处理方法有：第一，采用去油能高温煮沸去除油污。第二，采用丙酮浸泡，超声清洗去除表面有机沾污。第三，采用高温通氢退火去除表面氧化。第四，采用高温通甲酸去除表面氧化。第五，采用等离子清洗机活化金属表面。第六，采用助焊剂提升黏结效果等。第七，采用酒精脱水烘干后再投入生产。

4　结论

烧结是半导体器件生产过程中的一道关键工序，烧结质量的好坏直接影响产品的使用可靠性，是我们必须提高认识和加强控制的一道工序。通过上述试验，我们认为：影响产品烧结质量的主要因素有原材料表面状态、炉温的稳定性、实际的烧结温度、烧结时间等，同时还受到待烧产品热容量、预热时间、冷却时间等影响。烧结是一道影响因素较多又难以控制的一道工序，要想严格把控产品烧结质量，必须从人、机、料、法、环等各个方面进行细致的分析和判断，整理出一套严格的生产步骤和控制方法，并通过不断的工艺试验进行确认和固化，方能取得比较好的结果。

Discussion on the Quality Control Method of Sintering Furnace

ZHAOXing-jiang
(Chinese Zhenhua Group WIKOElectronics CoLtd,Guiyang550000,China)

In order to strictly control the quality of the sintering process,we analyze the principle of sintering,from people,machines,materials, methods,and other aspects ofthe analysis,tofind out the weak link and control.

Sinteringprocess;Influence factor;Control method;Test method

TQ205

A

1674-8646（2015）09-0106-02

2015-05-29