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10-4~109Ω·cm 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Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅴ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物
Ⅲ-Ⅴ族化合物有氮化镓(GaN )、磷化镓(GaP )、砷化镓(GaAs )、锑化铟(InSb )等; Ⅱ-Ⅵ族化合物有硫化镉(CdS )、硫化锌(ZnS )等;Ⅳ-Ⅳ族化合物有碳化硅(SiC )等;
Ⅴ-Ⅳ族化合物如硒化铋(Bi2Se3)、Ⅴ-Ⅴ族化合物如锑化铋(BiSb )、Ⅴ-Ⅵ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Ⅲ-Ⅴ族化合物或Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。前者有镓砷磷(CaAs 、
1-xPx )、镓铝砷(Ca 、1-xAl x As )和铟镓磷(In 、1-xGaxP )等;后者有碲镉汞(Hg 、1-xCd x Te )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=Na2SiO 3+2H2↑ Si+4HNO3+6HF=H2[SiF6]+4NO2+4H2O
10%~30%的NaOH 溶液以及HNO 3+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Ⅲ-Ⅴ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β-Ga 2O 3。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Si 3N 4或SiO 2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Ⅴ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。
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10-4~109Ω·cm 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Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅴ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物
Ⅲ-Ⅴ族化合物有氮化镓(GaN )、磷化镓(GaP )、砷化镓(GaAs )、锑化铟(InSb )等; Ⅱ-Ⅵ族化合物有硫化镉(CdS )、硫化锌(ZnS )等;Ⅳ-Ⅳ族化合物有碳化硅(SiC )等;
Ⅴ-Ⅳ族化合物如硒化铋(Bi2Se3)、Ⅴ-Ⅴ族化合物如锑化铋(BiSb )、Ⅴ-Ⅵ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Ⅲ-Ⅴ族化合物或Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。前者有镓砷磷(CaAs 、
1-xPx )、镓铝砷(Ca 、1-xAl x As )和铟镓磷(In 、1-xGaxP )等;后者有碲镉汞(Hg 、1-xCd x Te )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=Na2SiO 3+2H2↑ Si+4HNO3+6HF=H2[SiF6]+4NO2+4H2O
10%~30%的NaOH 溶液以及HNO 3+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Ⅲ-Ⅴ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β-Ga 2O 3。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Si 3N 4或SiO 2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Ⅴ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。