Sinterizzazione sottovuoto di dispositivi elettronici

Nell'attuale era di rapido sviluppo dell'industria elettronica, la tecnologia di sinterizzazione sotto vuoto, nota anche come brasatura sotto vuoto a bassa temperatura, è un'importante tecnologia di interconnessione microelettronica. Il moderno packaging e assemblaggio a livello di chip elettronici utilizza una grande quantità di saldatura in lega a base metallica a basso punto di fusione (nota anche come materiale d'apporto) per collegare i componenti, completando il packaging del dispositivo e l'assemblaggio della scheda. In passato, il vecchio processo di packaging e assemblaggio sotto pressione positiva con protezione dall'azoto non riusciva a soddisfare i requisiti della moderna tecnologia elettronica. Utilizzando il vecchio processo, la brasatura della superficie di saldatura tra chip e substrato presentava un basso tasso di giunzioni interne prive di vuoti residui, riducendo l'area di dissipazione del calore; il chip raggiungeva facilmente la temperatura di giunzione critica e si bruciava. La tecnologia di sinterizzazione sotto vuoto consiste nella brasatura sotto pressione negativa in vuoto per il packaging e l'assemblaggio dei dispositivi elettronici. La qualità della superficie di saldatura tra chip e substrato è cambiata qualitativamente: non solo il tasso di brasatura è notevolmente aumentato, ma sono migliorate significativamente anche la compattezza della superficie di saldatura e la resistenza della connessione saldata.

1. Processo di sinterizzazione sotto vuoto

1.1 Meccanismo della sinterizzazione sotto vuoto

Due metalli diversi formano una lega eutettica in una determinata proporzione a temperature significativamente inferiori rispetto ai rispettivi punti di fusione. Questa temperatura inferiore è nota come punto eutettico basso. Il processo di sinterizzazione sotto vuoto prevede il posizionamento di una sottile lamina di lega (comunemente nota come saldatura o materiale per brasatura) tra il chip e il substrato (wafer o contenitore). L'insieme viene quindi riscaldato fino alla temperatura eutettica della lega, provocandone la fusione e la formazione di una saldatura liquida che bagna l'intera superficie del substrato del chip e la superficie di accoppiamento del substrato. La saldatura subisce reazioni fisiche e chimiche con il metallo dello strato di saldatura e con la superficie di accoppiamento del substrato, formando una certa quantità di composti intermetallici. L'insieme viene quindi raffreddato al di sotto della temperatura eutettica, facendo sì che la saldatura e i composti intermetallici uniscano il chip e il substrato, ottenendo un buon contatto ohmico e completando la saldatura del chip al substrato del circuito e ai componenti funzionali. I materiali di saldatura in lega sottile comunemente utilizzati per i circuiti integrati ibridi di potenza includono la saldatura in lega oro-stagno (punto di fusione di circa 280°C), la saldatura in lega oro-germanio (punto di fusione di circa 356°C) e la saldatura in lega oro-silicio (punto di fusione di circa 370°C).

1.2 Processo di sinterizzazione sotto vuoto

La sinterizzazione sotto vuoto si basa principalmente sulla tecnologia del vuoto di un forno di sinterizzazione per controllare efficacemente le condizioni ambientali all'interno del forno. Il processo di sinterizzazione viene realizzato attraverso fasi quali preriscaldamento, evacuazione, pompaggio del vuoto, riscaldamento, raffreddamento e riempimento con gas. Vengono impostate curve adeguate di controllo della temperatura e del gas protettivo, che coprono l'intero processo di sinterizzazione. Le prestazioni del forno di sinterizzazione sotto vuoto devono soddisfare i requisiti del processo di sinterizzazione sotto vuoto. I parametri chiave del processo di sinterizzazione sotto vuoto sono i seguenti:

1）Temperatura massima: 450°C;

2）Uniformità della temperatura: ±3°C (all'interno della regione spaziale);

3）Velocità di riscaldamento: 15°C/min (media);

4）Velocità di raffreddamento: 5°C/min (da 300°C a 200°C).

5）Livello di vuoto operativo: 6×10–3 Pa;

6）Velocità di pompaggio del vuoto: raggiungimento del livello di vuoto operativo in 15-20 minuti;

7）Perdita di vuoto: ≤0.6 Pa/h;

8）Frazione volumetrica del gas protettivo: 99.9995%.

Nei circuiti integrati ibridi di potenza, è spesso necessario assemblare simultaneamente più chip, il che richiede dispositivi e attrezzature di fissaggio adeguati per un posizionamento preciso. Le prestazioni dei dispositivi di fissaggio influenzano direttamente la qualità della saldatura. La precisione di posizionamento durante l'assemblaggio e la sinterizzazione dei chip di potenza e dei substrati dipende dai dispositivi di fissaggio. Anche l'applicazione di calore e pressione durante la saldatura è garantita dai dispositivi di fissaggio. Le dimensioni dei dispositivi di fissaggio variano in base ai dispositivi; pertanto, i processi di sinterizzazione sotto vuoto prevedono requisiti specifici per tali dispositivi, riepilogati come segue:

1）I materiali dei dispositivi di fissaggio sono generalmente acciaio inossidabile o grafite rinforzata ad alta purezza, per impedire la volatilizzazione alle alte temperature nel vuoto.

2）Durante la lavorazione, i dispositivi di fissaggio vengono sottoposti a trattamento termico sotto vuoto per eliminare le tensioni residue e garantire la stabilità dimensionale e la precisione di posizionamento.

3） I dispositivi di fissaggio hanno una forza di serraggio regolabile per ridurre efficacemente lo spazio tra chip e substrato, minimizzare i vuoti nella saldatura e garantire la qualità della sinterizzazione. Vengono comunemente utilizzati il serraggio elastico o il serraggio tramite il peso proprio con blocchi di pressione.

Apparecchiature per la sinterizzazione sotto vuoto

Un forno di sinterizzazione sotto vuoto è un'apparecchiatura specializzata utilizzata per la sinterizzazione e la saldatura sotto vuoto di circuiti integrati ibridi di potenza. Prendendo come esempio il forno di sinterizzazione sotto vuoto RVS-446 di SIMUWU, esso è adatto alla produzione in serie nell'industria elettronica. I componenti principali includono il corpo del forno, l'unità di riscaldamento, il sistema di raffreddamento rapido, il sistema del vuoto e il sistema di controllo elettrico.

2.1 Corpo del forno

Il corpo del forno è la parte principale del forno di sinterizzazione sotto vuoto. È costituito da un cilindro in acciaio a doppio strato con camicia d'acqua e da un'unità di riscaldamento interna. Per soddisfare i requisiti di pulizia della sinterizzazione dei componenti, la parete interna del cilindro è realizzata in acciaio inossidabile, mentre quella esterna è realizzata in acciaio al carbonio. Il corpo del forno è dotato di elettrodi raffreddati ad acqua e di termocoppie inserite. La porta del forno adotta un design con fondello standard ellittico e finestra di osservazione. Per garantire l'integrità del vuoto all'interno del forno, tra il corpo e la porta del forno vengono utilizzati una scanalatura di tenuta a coda di rondine e una guarnizione in gomma con anello a "O".

2.2 Sistema di raffreddamento rapido

Il sistema di raffreddamento rapido è progettato principalmente per soddisfare i requisiti di raffreddamento durante la sinterizzazione/saldatura. La velocità di raffreddamento durante la solidificazione della saldatura influisce significativamente sulla qualità della superficie del giunto sinterizzato. Saldature e dispositivi diversi richiedono velocità di raffreddamento differenti. Il forno di sinterizzazione sotto vuoto è dotato di un meccanismo di raffreddamento a doppia funzione, che utilizza un ventilatore centrifugo e uno scambiatore di calore per un raffreddamento rapido. È inoltre possibile controllare l'atmosfera per consentire il raffreddamento naturale, soddisfacendo diversi requisiti di processo.

Qualità della sinterizzazione sotto vuoto

 È stata eseguita un'ispezione mediante imaging a raggi X su chip di potenza Ti-Ni-Ag e Ti-Ni-Au con strati metallici. Il campionamento mediante imaging a raggi X ha mostrato vuoti minimi e, nella produzione in serie, l'area effettiva di saldatura ha superato il 95%.

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