关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊.doc

东莞市力华机械设备有限公司关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊半导体材料种类繁多，但除硅与砷化镓外，工业上利用钎焊技术进行链接的并不多。再者，半导体材料的特性与所含杂质的成分和数量有关。两种材料之间必须保证是欧姆接触。为了保证材料的性质不变，在钎焊过程中，钎焊温度必须低于母材的最高工作温度。钎焊方法分两种：一种为普通软钎焊，即用钎料片放置于半导体材料和管壳或引线之间进行钎焊；另一种为共晶钎焊，即在半导体材料上覆盖多层金属膜，升温过程中金属膜之间互相扩散成共晶成分，当温度达到共晶熔化温度时，金属膜融化使半导体材料与管壳等连到一起。半导体材料的钎焊一般都在保护气氛中进行。钎焊温度通常不超过450。半导体材料是电阻率介于导体（主要是金属）和非导体（电介质）之间的一类物质。它们的点阻力介于10-4109cm之间。半导体材料的应用特性极大地依赖于其中所含的微量杂质。若半导体材料中的杂质含量从10-9变到10-2，则它的电导率会变化数百万倍。半导体材料的另一个特征是，它传导电流时不仅依靠电荷电子，而且依靠在数量上与电子相等的正电荷空穴。电子导电性称为n型导电性，空穴导电性称为p型导电性。具有半导体性质的材料种类繁多，按化学成分可分成六类。1. 元素半导体材料。元素半导体材料有硼（B）、碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）和碘（I）等十二种元素。硅、锗、硒是常用元素半导体材料。硒是最早使用的元素半导体材料，主要用于制造硒整流器，硒光电池和静电复印半导体。锗是一种稀有元素，是工业上最先实用化的半导体材料，由于在地壳中含量极少，大约为百万分之二，而且极为分散，因此料源十分贫乏。锗的禁带宽度（0.67eV）比硅的宽度（1.08eV）小，因而锗器件的最高工作温度（100）较硅器件（250）低；锗的电阻率范围较硅小三个数量级；用于制造器件的品种少，不宜制作高反向耐压的大功率器件。因此在半导体器件的应用上大部分已被硅代替。硅是一种性能优越、资源丰富、工艺成熟和应用广泛的元素半导体材料。从20世纪60年代开始称为主要半导体材料。主要用于制造集成电路、晶体管、二极管、整流元件、光电池、粒子探测器等。2. 二元化合物半导体材料。这类材料包括-族、-族、-族、-族、-族、-族等化合物-族化合物有氮化镓（GaN）、磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）等；-族化合物有硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）等；-族化合物有碳化硅（SiC）等；-族化合物如硒化铋（Bi2Se3）、-族化合物如锑化铋（BiSb）、-族化合物如碲化锑等。在二元化合物半导体中，研究最多应用最广的是砷化镓。它的禁带宽度比锗、硅都大，所以最高工作温度可达450；并且它的电子迁移率高，是高温、高频、抗辐射、低噪音器件的良好材料。砷化镓的能带具有双能谷结构，适合于制作体效应器件。砷化镓也是制作高效率激光器和红外线光源的良好材料，砷化镓还广泛用于制作其他微波器件，用砷化镓还可以制得高速集成电路。3. 固溶体半导体材料。此种材料是指两种或两种以上的元素或化合物溶合而成的材料。目前应用较多的是-族化合物或-族化合物组成的固溶体。前者有镓砷磷（CaAs、1-xPx）、镓铝砷（Ca、1-xAlxAs）和铟镓磷（In、1-xGaxP）等；后者有碲镉汞（Hg、1-xCdxTe）等；4. 氧化物半导体材料。此种材料种类较多。如氧化锰（MnO）、氧化铬（Cr2O3）、氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe2O3）、氧化镍（NiO）、氧化钴（CoO）、氧化镁（MgO）、氧化锌（ZnO）及氧化锡（SnO2）等。它们大多用于制造湿敏、气敏和热敏元件。5. 玻璃或非晶态半导体材料。此种材料通常分为两类：氧化物玻璃半导体材料和硫化物玻璃半导体材料。它们用于制作开关和记忆器件、固体显示器和太阳能电池等。6. 有机半导体材料。如蒽、紫蒽酮、聚苯乙炔等。硅的物理、化学特性硅的主要物质性质序号项目数值单位1原子序数142晶体结构金刚石3原子量20.08554晶格常数0.542nm5（111）面间距0.313nm6（110）面间距0.363nm7（100）面间距0.542nm8原子半径1.710-1nm9本征电阻率2.3105cm10相对介电常数11.70.211密度2.32890.00001g/cm312线胀系数2.3310-61/K13凝固时体积膨胀10%14表面张力（熔点下）0.72N/m15硬度7莫氏硬度16延展性脆性17颜色银白浓灰18熔点141019沸点2480硅的主要化学性质如下：硅在常温下稳定，易与氟发生作用。在高温下硅能与氯、氧、水蒸气等作用，生成四氯化硅、二氧化硅。硅在熔融状态下还能与氮、碳等反应生成氮化硅和碳化硅。硅在常温下能与碱作用生成硅盐酸。硅和硝酸、氢氟酸的混合液起作用生成可溶性的六氟硅酸综合物：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O10%30%的NaOH溶液以及HNO3+HF混合液常用作硅的腐蚀液。砷化镓的物理、化学特性。砷化镓是目前除锗、硅之外研究和应用最广泛的-族化合物半导体材料。与硅相比，砷化镓的禁带宽度大，又属于直接跃迁型，电子迁移率高，能带具有“双能谷”结构，是一种优良的半导体材料。砷化镓的物理性质序号项目数值单位1相对分子质量146.62电子密度4.4310221/cm33晶体结构闪锌矿型4晶体常数0.56419nm5最近原子距离0.244nm6熔点12337在熔点时的离解压98066.533Pa8密度（20）5.307g/cm39热导率（25）0.37W/cmK10线胀系数6.010-61/11比热容23.1J/kgK12熔解潜热10.5千克/克分子13表面张力（凝固点）0.45N/m14介电常数13.1815显微硬度7504016折射率（0.56）4.02517功函数4.71eV18器件最高工作温度450砷化镓的主要化学性质如下：1.砷化镓在常温下比较稳定，在500以上开始分解。在1238（熔点）时的离解压为90kPa。2.砷化镓在空气中加热到600时，开始生成有干涉色的氧化膜，此氧化膜的主要成分是-Ga2O3。由于砷化镓生成的氧化膜不能掩蔽杂质（如Zn等）的扩散，也不能阻止砷从GaAs体内向外扩散。因此目前GaAs器件制造中主要是用淀积一层Si3N4或SiO2作为掩蔽膜。硅器件钎焊技术硅器件用钎料对钎料的一般要求1. 在直接钎焊时钎料与硅应具有良好的相容性、良好的导电性，并能形成低欧姆接触，即对n型硅或p型硅不会形成整流特性。2. 钎料于硅（或者硅器件的金属化层）应具有良好的润湿性和良好的导热性能，使器件热阻尽可能小。3. 钎料的钎焊温度应低于芯片制造的最低温度，保证芯片性能在钎焊过程中不被破坏；同时它又必须高于硅器件的最高储存温度。4. 钎焊料在加热过程中，不能产生有害物质沾污芯片。目前用于芯片钎焊的钎料主要有两类：一类是金的合金系列；一类是铅锡合金系列。前者性能优越；后者价格低廉。钎料中各元素所作用如下：金（Au）：熔点为1064，可与硅形成低熔共晶，广泛用于硅器件的钎焊，金-硅钎料可用于温度较高的场合。但金钎料与低掺杂n型硅易形成高阻层，故在用于npn型器件的钎料中常加入少量的族元素锑或砷。锗（Ge）：熔点为937，能与Au形成低熔共晶。金-锗钎料（Au88%，Ge12%）的熔点适中（356）。铅（Pb）：熔点为328，由于熔点适中，可塑性好，并且在极低的温度（-60）下仍能保持优良的可塑性，是大部分钎料最主要的组分。加进其他元素可改善其润湿性、流动性，或提高抗疲劳强度。锡（Sn）：熔点为232，是钎料主要成分之一。通常与铅、银或铟组成合金。如铅中加入少量的锡，能细化铅的晶粒，增加铅的延展性和抗疲劳强度。铟（In）：熔点为157，加入铅合金中，可提高其润湿性；也可起到降低钎料熔点的作用。含铟合金的抗疲劳强度极佳。银（Ag）：熔点为962，在铅锡铟钎料中，银常作为一种添加物，以提高其抗疲劳性。硅器件常用钎料序号化学成分（质量分数，%）液相线/固相线/199Pb 1Sn324323297.5Pb 1.5A