制备焊区金属化层的方法 介绍

在制造半导体器件时，通常将处理好的硅芯片钎焊在管壳的基座上。基座材料一般为194合金[w（Cu）为97%～97.8%、w（Fe）为2.1%～2.7%，以及少量的P和Zn]，或可伐合金（w（Ni）为28.5%～29.5%、w（Co）为16.8%～17.8%，余量为Fe）。部分微波功率管则要求将芯片钎焊在经金属化的氧化铍陶瓷片上，也有些大功率管钎焊在镀镍的钼片上。基座一般为金属或经过金属化的陶瓷片（可用电镀法制作易焊的金属化层）。

由于硅难以直接钎焊，一般需在焊前对其进行表面金属化处理。芯片背面金属化处理较复杂，所用金属必须与硅能形成良好的欧姆接触，其导电、导热、抗氧化、抗电迁移性能满足要求，且在制作金属化层时不能破坏芯片性能，不能沾污芯片。表13-4列出了半导体表面金属化中常用金属的性能。

表13-4 半导体表面金属化中常用金属的性能^[8] Table 13-4 Properties of conventional metals used in surface metallization of semiconductor

（续）

由于大部分金属对硅的润湿性极差，且在大气中硅表面很快生成一层二氧化硅，所以要求表面金属化层对硅及二氧化硅均具有很好的润湿性，并且要求钎焊性良好、线胀系数与硅接近。从表13-4中得知，几乎没有一种单一金属能全面满足上述要求。过去，国内芯片背面常用镍层，其润湿性和钎焊性均勉强可用：一些要求较高的器体背面常用金，但价格昂贵。

随着微电子技术的发展，不但对电子器件的性能要求越来越高，并且要求更低的生产成本，单一层金属化已不能满足要求，因此近年来逐渐向多层金属化发展。一般采用三层结构，与硅直接接触的称为上黏附层，与钎料接触的称为下黏附层，两者之间是过渡层（或称阻挡层）。

1）上黏附层。要求对硅及二氧化硅润湿良好、对硅的欧姆接触系数小、不与硅或其上面的金属形成高阻化合物，且线胀系数与硅接近。表13-4中只有Cr、Ti、V可以选用（Al线胀系数与硅相差太大，不宜选用）。

2）下黏附层。位于芯片背面的最外层，要求性能稳定，易于钎焊，且导电和导热性能良好。一般选用Au或Ag，近年来也有选用Sn的。Au的价格最贵，Ag表面易受H₂S、SO₂、NO₂及Cl-污染而生成导电性很差又很难焊接的Ag₂S、AgCl等；而Sn的熔点较低，用Sn作为下黏附层时，需将钎焊温度控制在300℃左右。

3）过渡层。在用Au、Ag、Sn作下黏附层时，不能将它们直接做在上黏附层Cr、Ti、V上，原因是它们极易溶于锡钎料，造成钎料直接与难焊金属Cr、Ti、V接触，使芯片钎焊性能变坏。另外，Cr是亲氧物质，Cr扩散到表面和氧形成电阻很大、钎焊性很差的Cr₂O₃氧化层。所以通常要在上黏附层Cr、Ti、V和下黏附层Au、Ag、Sn之间设置阻挡层作为过渡。该层金属应与硅具有较高的合金温度，同时与上、下黏附层都不产生高阻化合物，且接触电阻和材料电阻率较小[9]。通常采用Ni或Cu合金，也可用Cr/Ag合金膜。(www.xing528.com)

当前较流行的三层结构为V-Ni-Au，总厚度约1～2μm。在制作时，上、下黏附层较薄而过渡层较厚，原因是上黏附层（Cr、Ti、V）电阻较大，下黏附层（Au、Ag）较为贵重，都不宜做得太厚。采用Sn作为下黏附层时，厚度则可达到5～6μm。

近年来，不少生产厂家对不同类型的器件采用了不同的金属化结构。如日本ROHM公司采用如下结构：

pnp硅小功率器件金属化层为Au。

npn硅小功率产器件金属化层为Au/As-Au（小功率管一般采用共晶焊）。

pnp硅大功率器件金属化层为Cr、Ni、Ag、Au。

npn硅大功率器件金属化层为Au/As、Cr、Ni、Ag、Au。

美国国家半导体公司则采用Sn作为下黏附层，不仅节省了贵重金属，而且钎焊温度有所降低，有利于提高装配成品率，有一定的发展前途。

pnp硅器件金属化层为Cr、Ag、Sn。

npn硅器件金属化层为Au/As、Ag、Sn。

两层的厚度约6～8μm，其中Sn厚度约占总厚度的80%。