关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊

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。