Vacuum Sintering of Electronic Devices

Sinterización al vacío de dispositivos electrónicos

En la era actual de rápido desarrollo de la industria electrónica, la tecnología de sinterización al vacío, también conocida como soldadura fuerte al vacío a baja temperatura, es una importante tecnología de interconexión microelectrónica, el empaquetado y ensamblaje a nivel de chip electrónico moderno son una gran cantidad de metales de bajo punto de fusión. Soldadura de aleación a base de (también conocida como relleno) para conectar, completar el paquete del dispositivo y el ensamblaje de la placa. En el pasado, la protección con nitrógeno bajo presión positiva, el embalaje y el montaje del proceso antiguo no podían cumplir con los requisitos de la tecnología electrónica moderna. Usando el proceso antiguo, el chip y la superficie de soldadura del sustrato se sueldan a través de la baja tasa de vacíos residuales internos, lo que reduce el área de disipación de calor, el chip es fácil de unir y quemar. La tecnología de sinterización al vacío consiste en soldar bajo presión negativa al vacío, empaquetar y ensamblar dispositivos electrónicos, la calidad de la superficie de soldadura del chip y del sustrato ha cambiado cualitativamente, no solo la tasa de soldadura fuerte mejoró enormemente, sino que también se mejoró significativamente la densidad de la superficie de soldadura y la resistencia de la conexión de soldadura.

1. Proceso de sinterización al vacío

1.1 Mecanismo de sinterización al vacío

Sinterización al vacío de dispositivos electrónicos

Dos metales diferentes forman una aleación eutéctica en una determinada proporción a temperaturas significativamente inferiores a sus respectivos puntos de fusión. Esta temperatura más baja se conoce como punto eutéctico bajo. El proceso de sinterización al vacío implica colocar una fina lámina de aleación (comúnmente conocida como material de soldadura o soldadura fuerte) entre el chip y el sustrato (oblea o carcasa). Luego, el conjunto se calienta a la temperatura eutéctica de la aleación, lo que hace que se funda y forme una soldadura líquida que humedece toda la superficie del sustrato del chip y la superficie de contacto del sustrato. La soldadura sufre reacciones físicas y químicas con el metal de la capa de soldadura y la superficie de contacto del sustrato, formando una cierta cantidad de compuestos intermetálicos. Luego, el conjunto se enfría por debajo de la temperatura eutéctica, lo que da como resultado que la soldadura y los compuestos intermetálicos unan el chip y el sustrato, logrando un buen contacto óhmico y completando la soldadura del chip al sustrato del circuito y los componentes funcionales. Los materiales de soldadura de aleaciones finas comúnmente utilizados para circuitos integrados híbridos de potencia incluyen soldadura de aleación de oro y estaño (punto de fusión de aproximadamente 280 °C), soldadura de aleación de oro y germanio (punto de fusión de aproximadamente 356 °C) y soldadura de aleación de oro y silicio (punto de fusión de aproximadamente 356 °C). 370°C).

1.2 Proceso de sinterización al vacío

La sinterización al vacío se basa principalmente en la tecnología de vacío de un horno de sinterización para controlar eficazmente las condiciones ambientales dentro del horno. El proceso de sinterización se logra mediante pasos como precalentamiento, evacuación, bombeo de vacío, calentamiento, enfriamiento y llenado de gas. Se establecen curvas de control de temperatura y gas protector adecuadas para cubrir todo el proceso de sinterización. El rendimiento del horno de sinterización al vacío debe cumplir con los requisitos del proceso de sinterización al vacío. Los parámetros clave para el proceso de sinterización al vacío son los siguientes:

Sinterización al vacío de dispositivos electrónicos

1)Temperatura máxima: 450°C;

2)Uniformidad de temperatura: ±3°C (dentro de la región espacial);

3)Velocidad de calentamiento: 15°C/min (promedio);

4)Velocidad de enfriamiento: 5°C/min (300°C a 200°C).

5)Nivel de vacío de trabajo: 6×10–3 Pa;

6)Velocidad de bombeo de vacío: alcance el nivel de vacío de trabajo en 15-20 minutos;

7)Fuga de vacío: ≤0,6 Pa/h;

8)Fracción volumétrica del gas protector: 99,9995%.

En los circuitos integrados híbridos de potencia, a menudo se encuentra el ensamblaje simultáneo de múltiples chips, lo que requiere accesorios y plantillas adecuados para un posicionamiento preciso. El rendimiento de los accesorios afecta directamente a la calidad de la soldadura. La precisión del posicionamiento durante el montaje y la sinterización de chips y sustratos de potencia depende de los accesorios. Los accesorios también garantizan la aplicación de calor y presión durante la soldadura. Las dimensiones de los accesorios varían según los dispositivos, por lo que los procesos de sinterización al vacío tienen requisitos específicos para los accesorios, que se resumen a continuación:

1)Los materiales de los accesorios suelen ser acero inoxidable o grafito reforzado de alta pureza para evitar la volatilización a altas temperaturas en el vacío.

2)Los accesorios se someten a un tratamiento térmico al vacío durante el procesamiento para eliminar tensiones residuales y garantizar la estabilidad dimensional y la precisión de posicionamiento.

3) Los accesorios tienen una fuerza de sujeción ajustable para reducir efectivamente el espacio entre el chip y el sustrato, minimizar los huecos de soldadura y garantizar la calidad de la sinterización. Comúnmente se utiliza sujeción elástica o sujeción por peso propio con bloques de presión.

Equipo de sinterización al vacío

Un horno de sinterización al vacío es un equipo especializado que se utiliza para la sinterización y soldadura al vacío de circuitos integrados híbridos de potencia. Tomando como ejemplo el horno de sinterización al vacío RVS-446 de SIMUWU, es adecuado para la producción por lotes en la industria electrónica. Los componentes principales incluyen el cuerpo del horno, la unidad de calefacción, un potente sistema de enfriamiento, un sistema de vacío y un sistema de control eléctrico.

2.1 Cuerpo del horno

El cuerpo del horno es la parte principal del horno de sinterización al vacío. Consta de un cilindro de acero de doble capa con camisa de agua y una unidad de calentamiento interna. Para cumplir con los requisitos de limpieza para la sinterización de componentes, la pared interior del cilindro está hecha de acero inoxidable, mientras que la pared exterior está hecha de acero al carbono. El cuerpo del horno está equipado con electrodos refrigerados por agua y termopares introducidos. La puerta del horno adopta un diseño de cabezal estándar elíptico con una ventana de observación. Para garantizar la integridad del vacío dentro del horno, se utiliza una ranura de sellado en forma de cola de milano y un sello de goma con junta tórica entre el cuerpo y la puerta del horno.

2.2 Sistema de enfriamiento fuerte

El potente sistema de refrigeración está diseñado principalmente para cumplir con los requisitos de refrigeración durante la sinterización/soldadura. La velocidad de enfriamiento durante la solidificación de la soldadura tiene un impacto significativo en la calidad de la superficie de la junta sinterizada. Diferentes soldaduras y dispositivos tienen diferentes requisitos de velocidad de enfriamiento. El horno de sinterización al vacío está equipado con un mecanismo de enfriamiento de doble función, que utiliza un ventilador centrífugo y un intercambiador de calor para un enfriamiento rápido. La atmósfera también se puede controlar para permitir el enfriamiento natural, cumpliendo así diversos requisitos del proceso.

Calidad de sinterización al vacío

La inspección de imágenes por rayos X se realizó en chips de potencia Ti-Ni-Ag y Ti-Ni-Au con capas metálicas. El muestreo de imágenes de rayos X mostró huecos mínimos y el área de soldadura efectiva en la producción por lotes superó el 95%.

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