李丙旺,徐春葉
(華東光電集成器件研究所,安徽 蚌埠 233042)
半導(dǎo)體AuSn焊料低溫真空封裝工藝研究
李丙旺,徐春葉
(華東光電集成器件研究所,安徽 蚌埠 233042)
介紹了半導(dǎo)體金錫(AuSn)焊料焊接封裝的影響因素:焊接氣氛、鍍金層、焊料,在低溫真空焊接封裝的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討了AuSn焊料真空釬焊封裝的影響因素、AuSn焊料本身的組分比及其浸潤(rùn)性等對(duì)焊接封裝的影響、AuSn焊料真空焊接封裝爐溫曲線設(shè)置及焊接溫度和時(shí)間的正交實(shí)驗(yàn)、AuSn焊料真空焊接封裝中真空度的影響因素、真空度對(duì)焊接質(zhì)量的影響、AuSn焊料真空焊接封裝中還原氣體的作用及有無(wú)通入還原氣體的焊接封裝對(duì)比實(shí)驗(yàn)等,并通過(guò)真空、爐溫和還原氣體等方面所作的相應(yīng)工藝實(shí)驗(yàn),對(duì)相關(guān)工藝技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究?;诖罅康腁uSn焊料真空焊接封裝實(shí)驗(yàn)及理論分析,給出了最優(yōu)化工藝條件解決方案。
AuSn焊料;真空;還原氣體
封裝可以簡(jiǎn)明地定義為對(duì)電子器件進(jìn)行互連、加電、保護(hù)和散熱[1~4]。氣密封裝通常采用由金屬、陶瓷、玻璃等材料制成的帶腔體的外殼,外殼在被封蓋后能使安裝于其內(nèi)的電子元器件與外界環(huán)境相隔離,阻止有害液體、固體特別是氣體污染物的侵蝕或滲透入內(nèi),保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。
就封裝的質(zhì)量和密封可靠性來(lái)說(shuō),采用金錫(AuSn)低熔點(diǎn)合金焊料進(jìn)行高可靠的集成電路密封是一種重要的封裝方法,它在承受機(jī)械沖擊、熱沖擊、化學(xué)腐蝕等機(jī)械和氣候環(huán)境方面,有著比其他金屬合金焊料更大的優(yōu)越性。因此,金錫焊料的低溫焊接封裝是為滿足一些軍用標(biāo)準(zhǔn)的高可靠產(chǎn)品要求所必須采用的封裝形式。
半導(dǎo)體AuSn焊料低溫真空封裝工藝就是在真空環(huán)境下,將鍵合好半導(dǎo)體芯片通過(guò)AuSn焊料進(jìn)行低溫氣密性封裝,其主要工藝影響因素是AuSn焊料、爐溫、真空以及為還原鍍金層和AuSn焊料表面氧化層的還原氣體等。
本文主要介紹了AuSn焊料及其對(duì)封裝的影響,并就真空、爐溫和還原氣體的通入等工藝條件進(jìn)行了重點(diǎn)研討,探索最優(yōu)化工藝條件方案。
金屬氣密封裝由于在最嚴(yán)酷使用條件下具有杰出的可靠性而被廣泛用于特殊用途。錫焊是金屬氣密封裝的一種重要形式,又稱為釬焊、共晶焊、焊料焊等,是在殼體和蓋板的密封區(qū)域之間放入含錫的合金預(yù)制片,加熱到熔點(diǎn)溫度后形成共熔/共晶,將殼體和蓋板密封焊接在一起。封裝用錫焊焊料一般預(yù)先制作成合金焊片,主要有兩種類型:一種為低熔點(diǎn)的軟焊料,最常用的是熔點(diǎn)為183℃的Sn63Pb37合金焊片;另一種為較高熔點(diǎn)的硬焊料,最常用的是熔點(diǎn)為280℃的Au80Sn20合金焊片[4]。
AuSn焊料因其在焊接強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗氧化等方面都具有較好的優(yōu)越性,而且AuSn焊料在封裝焊接中無(wú)需助焊劑,避免了因使用助焊劑對(duì)半導(dǎo)體芯片形成的污染和腐蝕。因此,AuSn(80∶20)焊料是應(yīng)用最為廣泛的合金焊料之一。AuSn合金焊料具有合適的潤(rùn)濕性和接觸角,其鋪展百分?jǐn)?shù)在70%~80%之間,封裝焊接后不容易“爬蓋”,焊接強(qiáng)度高,氣密性漏氣速率可小于1×10-3Pa·cm3/s,其抗氧化性極強(qiáng),焊接后的焊縫不必再涂敷有機(jī)樹(shù)脂進(jìn)行保護(hù)。它不僅適合于半導(dǎo)體集成電路的封裝,也可用于混合集成電路的封裝,其焊接成品率可達(dá)98%以上,是一種具有優(yōu)越性能的高可靠焊料。
AuSn焊料的潤(rùn)濕性是焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素[1,5],通常是通過(guò)測(cè)定其接觸角、潤(rùn)濕速率或鋪展性來(lái)衡量其可焊性。接觸角越小、鋪展性越高,則說(shuō)明焊料流散性能很好,能保證其焊接質(zhì)量。但是不同的焊接外殼金屬上框、蓋板的鍍金層厚度以及焊料合金成分的變化,都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生一定影響,具體影響因素見(jiàn)表1。在Au-Sn系統(tǒng)(圖1)中共晶體的富金一側(cè)有非常陡的液相曲線斜度,在高于共晶組成處,金含量?jī)H增加3%~5%就可使液相溫度從280℃提高到450℃以上,進(jìn)而引起許多氣密性失效,金鍍層越厚,情況越嚴(yán)重。所以金鍍層在保持足夠浸潤(rùn)與防護(hù)性的前提下,厚度應(yīng)盡可能最小。
(1)焊接氣氛對(duì)焊接質(zhì)量的影響。所謂焊接氣氛就是指在焊接時(shí)采用何種氣體對(duì)焊接表面進(jìn)行保護(hù),不致因表面氧化而影響其焊接。同時(shí),使用焊料焊實(shí)現(xiàn)集成電路的封裝時(shí),為了防止芯片受到污染,不允許使用助焊劑,因此為使低熔點(diǎn)合金焊料保持其表面潔凈而不受氧化,焊接氣氛就顯得尤為重要。一般采用真空、氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為保護(hù)氣體。利用真空爐進(jìn)行集成電路封裝時(shí),要求其真空度優(yōu)于1.3Pa;而采用鏈?zhǔn)椒庋b爐時(shí),一般采用比例為90∶10的氫-氮混合氣體。
(2)鍍金層對(duì)封裝焊接質(zhì)量的影響。當(dāng)使用低熔點(diǎn)合金焊料時(shí),要求待焊外殼金屬上框和蓋板采用鍍金層進(jìn)行表面處理,從而為所使用焊料與金形成共晶體保證焊接質(zhì)量。焊料的浸潤(rùn)性與鍍金層有著很大關(guān)系,鍍金層的質(zhì)量和厚度都會(huì)對(duì)焊料的浸潤(rùn)性產(chǎn)生影響,實(shí)踐證明,鍍金層厚度為0.8μm~1.5μm時(shí)對(duì)焊料封裝焊接最為有利。
(3)焊料成分對(duì)封裝焊接質(zhì)量的影響。一定比例的含量成分有其一定的熔點(diǎn),當(dāng)焊料成分發(fā)生變化時(shí),其熔點(diǎn)也隨之而變動(dòng),從而也影響了焊料的浸潤(rùn)性,對(duì)焊接質(zhì)量不利。因此當(dāng)使用某低熔點(diǎn)合金焊料時(shí),首先要保證焊料的成分必須穩(wěn)定,并嚴(yán)格控制其他金屬元素和雜質(zhì)的浸入。AuSn合金所用原材料系由純度分別為:Au99.95%和Sn99.99%所組成,其組成比例:Sn∶Au=20∶80。考慮到焊接時(shí)外殼金屬上框和蓋板上的鍍金層有一部分將要參與共同形成共晶體,所以焊料實(shí)際配方中Au的含量為78%,Sn的含量為22%,AuSn系二元合金,其相圖如圖1所示。
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AuSn(80∶20)合金焊料在焊接時(shí)所施加的溫度應(yīng)使焊料能夠有足夠的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性,這個(gè)溫度大約高出焊料熔點(diǎn)50℃(約330℃)。在焊接封裝過(guò)程中,基于AuSn合金焊料的共晶成分,很小的過(guò)熱度就可以使合金熔化并浸潤(rùn),且合金的凝固過(guò)程也進(jìn)行得很快。因此,AuSn合金焊料的使用大大縮短了封裝焊接周期。
AuSn焊料焊接封裝的溫度是影響焊接封裝質(zhì)量最重要的因素之一,圖2是AuSn焊料的真空焊接封裝溫度曲線圖,當(dāng)加熱初期時(shí),由于真空度低,加熱速率快,所以升溫速率快。隨著真空度和爐溫的升高,升溫速率也隨著放慢,而在降溫階段,由于前期是真空狀態(tài)下降溫,所以降溫速率較慢,當(dāng)通入氮?dú)饣虼髿夂螅浣禍厮俾拭黠@加快。
一般臥式真空爐的真空焊接封裝工藝從加熱開(kāi)始到加熱結(jié)束大約為7.5min~9min之間,具體時(shí)間主要取決于電路及焊料環(huán)大小,不同類型的設(shè)備會(huì)有略微差異。我們分別對(duì)真空焊接封裝溫度325℃~335℃、焊接時(shí)間6min~10min的情況做了分組正交實(shí)驗(yàn),并就同一種底座、焊料環(huán)和蓋板在焊接封裝后對(duì)其漏氣率和焊料爬蓋率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),具體結(jié)果如表2。
從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于此種底座、焊料環(huán)和蓋板的焊接封裝的較佳工藝條件是:加熱溫度為330℃,加熱時(shí)間為8min~9min;或加熱溫度為332℃,加熱時(shí)間為7min~8min。在這兩種條件下,焊接封裝的漏氣率和爬蓋率最小,也就是說(shuō)其成品率最高,焊接封裝效果也最好。通過(guò)對(duì)6批(5 600只)焊接封裝產(chǎn)品的跟蹤檢測(cè)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
AuSn焊料真空焊接封裝的器件在使用過(guò)程中,氣體的泄漏率與器件內(nèi)外的壓力差成正比。真空封裝的器件內(nèi)外壓力差遠(yuǎn)大于氣密封裝的內(nèi)外壓力差,故真空封裝對(duì)泄漏率要求比氣密封裝要高很多,而且真空封裝對(duì)材料的使用和處理都有很高的要求。
首先,殼體材料是影響焊接封裝真空度的一個(gè)重要因素[6]。由于材料具有吸氣特性,在真空焊接封裝過(guò)程中的高溫下吸附的氣體將會(huì)釋放,將對(duì)真空封裝后器件腔體內(nèi)的真空度有影響。如圖3所示為真空封裝殼體在真空封裝前烘烤與未烘烤的對(duì)比曲線。由圖3中可以看到未烘烤的殼體,真空封裝后器件腔體內(nèi)的平均真空度在9Pa~10 Pa這樣一個(gè)水平,而烘烤過(guò)6 h的器件真空封裝后腔體內(nèi)的平均真空度在5 Pa左右??梢?jiàn)真空封裝殼體在封裝前對(duì)其進(jìn)行烘烤可以提高真空封裝后器件腔體內(nèi)的平均真空度。
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其次,貼片膠是影響焊接封裝真空度的另一個(gè)重要影響因素[6]。貼片膠是高分子材料,高分子材料由于空隙較多,比較容易吸附氣體,在真空封裝殼體內(nèi),由于相對(duì)大氣環(huán)境,里面吸附的氣體就很容易釋放出來(lái),破壞真空封裝器件腔體內(nèi)的真空度。如圖4所示,有貼片膠器件真空封裝后的器件腔體內(nèi)部的真空度從10 Pa到60 Pa不等,真空封裝后腔體內(nèi)的壓力比成品率實(shí)驗(yàn)時(shí)要高很多,而且真空封裝后的腔內(nèi)壓力一致性也較差。要解決貼片膠的問(wèn)題,在進(jìn)一步的研究中,必須采用吸氣劑來(lái)提高器件真空封裝后腔體內(nèi)的真空度。
為了較好地體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的可比性,實(shí)驗(yàn)采取了分別在一種較差的真空度(8×10-1Pa)下和一種較好的真空度(5×10-3Pa)下進(jìn)行AuSn焊料的焊接封裝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出,在8×10-1Pa下進(jìn)行焊接的AuSn焊料明顯嚴(yán)重氧化發(fā)黑,這將嚴(yán)重影響焊接封裝質(zhì)量;而在5×10-3Pa下進(jìn)行焊接的AuSn焊料除了由于表面雜質(zhì)而存在個(gè)別缺陷外幾乎沒(méi)有氧化,焊接封裝質(zhì)量較好,成品率較高。
為了提高底座、蓋板和AuSn焊料環(huán)的潔凈度和浸潤(rùn)性,在半導(dǎo)體封裝電路進(jìn)入真空爐以后,在焊接封裝以前,通入適量的還原性氣體,對(duì)其表面進(jìn)行還原處理,用于除去表面氧化層和氧化物雜質(zhì)等。
為了了解通入還原氣體(HCOOH)對(duì)AuSn焊料焊機(jī)封裝的影響,我們按圖6的工藝方案分別進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn):一組是在沒(méi)有通入還原氣體情況下進(jìn)行的焊接封裝;另一組則是在通入還原氣體(HCOOH)下進(jìn)行的焊接封裝,兩組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。
從圖7我們可以看出,通入還原氣體(HCOOH)進(jìn)行還原后進(jìn)行焊接的AuSn焊料表面氧化狀況和缺陷都比沒(méi)有通入還原氣體進(jìn)行焊接封裝的AuSn焊料表面狀況要好,其表面浸潤(rùn)性也比沒(méi)有通入還原氣體的好。
在半導(dǎo)體AuSn焊料低溫真空封裝工藝中,AuSn焊料本身的組分比及其浸潤(rùn)性等是影響其焊接質(zhì)量的重要因素,真空度是保證其焊接氣氛的重要指標(biāo),而在整個(gè)焊接封裝過(guò)程中爐溫則是保證焊接氣密性和質(zhì)量的重要條件,對(duì)于還原氣體(HCOOH)的通入則主要是減少氧化、提高焊接封裝質(zhì)量。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)分析,最優(yōu)化工藝方案是如圖6所示的工藝方案。
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The Semiconductor Packaging Technology of AuSn Solder with Low-temperature based on Vacuum
LI Bing-wang, XU Chun-ye
(East China Photoelectric IC Research Institute,Bengbu233042,China)
In introducing the influence factor of semiconductor packaging process with AuSn solder: welding atmosphere, gold-plating, solder, based on the cryogenic vacuum packaging,with emphasis on the influence factor of AuSn solder welding vacuum packaging, the influence of packaging from the proportion and soakage of AuSn solder, temperature curve settings and the orthogonal experiment of AuSn solder welding vacuum packaging with temperature and time, the influence factor of vacuum in AuSn solder packaging and the effect of packaging with vacuum, the effect of reducing gas and the contrast experiment with or no reducing gas in AuSn solder packaging,and with process experiment of vacuum, temperature and reducing gas,some process technology is carried out in-depth discussion. the theory and the appropriate technical experiments are given the most optimized process conditions solution.
AuSn solder; vacuum; reducing gas
TN305.94
A
1681-1070(2011)02-0004-05
2010-12-20
李丙旺(1971-),男,安徽望江人,高級(jí)工程師,1996年畢業(yè)于安徽大學(xué),現(xiàn)正攻讀南京理工大學(xué)通信工程專業(yè)工程碩士,主要從事半導(dǎo)體及特種器件封裝工藝研究及相關(guān)設(shè)備的維修。
封 裝 、 組 裝 與 測(cè) 試