葛秋玲，李云海

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

芯片粘接工藝主要有膠粘接、銀玻璃燒結(jié)和合金焊料焊接三種方式。導電膠粘接具有工藝簡單、速度快、成本低、可修復、對芯片背面金屬化無特殊要求的優(yōu)點，這種工藝主要用在低頻、小功率的產(chǎn)品中；其缺點是電阻大、導熱性能差，另外由于聚合物材料在高溫下容易分解、釋放氣體，造成內(nèi)部氣氛含量過高，且機械強度遠不如共晶焊接強度大，這些因素導致功率性能及可靠性等方面受到很大的影響，因此高頻、大功率以及航天應用的器件主要采用合金焊料焊接的方式。

共晶焊接可以為器件提供好的機械連接和電連接，以及良好的散熱通道。共晶焊接在電阻率、導熱性以及機械強度等性能上都大大優(yōu)于導電膠，如表1所示。

表1 粘接和燒結(jié)材料性能比較[3,4]

共晶焊接后孔隙率的大小是判斷粘接好壞的關(guān)鍵指標之一，會直接影響芯片的散熱及可靠性。由于焊料與硅基材及陶瓷基板的CTE的差別，不同材料界面間會存在壓縮和拉伸應力，在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生周期性的剪切應力，最終導致器件因熱疲勞而失效。

在芯片與外殼之間的焊層中，最大的熱剪切力形變?yōu)椋篠=DΔaΔT/2d。

式中，D為芯片對角線尺寸；d為焊層厚度；ΔT=Tmax－Tmin，Tmax為焊料凝固線溫度，Tmin為器件篩選中的最低溫度；Δa為芯片與基片材料的熱膨脹系數(shù)之差。

從公式中可知，芯片尺寸越大，承受的剪切應力也就越大，焊料層越厚，剪切力就越小，AuSi、AuGe比AuSn焊料凝固線溫度高，熱剪切應力形變要大。所以本文主要對11.5 mm×11.5 mm尺寸的大面積芯片金錫燒結(jié)工藝進行研究，針對封裝過程引起的應力問題從材料、工藝上采取一定的措施緩釋應力，封裝產(chǎn)品進行可靠性試驗評估驗證。

2 材料厚度應力仿真

從熱剪切形變關(guān)系公式中可知，芯片的厚度以及焊料片的厚度等都會成為影響焊接工藝以及可靠性的關(guān)鍵因素。但為了進一步確認，我們通過對芯片厚度和金錫焊料厚度的應力仿真，確認其與應力的關(guān)系，是否與熱剪切力形變公式中表達一致。試驗選擇硅芯片、Au80Sn20焊料片和陶瓷外殼，三種材料的性能如表2所示。

使用仿真軟件Ansys對不同芯片厚度和焊料厚度進行仿真，如表3所示。

表3 材料厚度的選擇（單位：μm）

仿真的結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 仿真1

圖2 仿真2

根據(jù)仿真的結(jié)果可知，降低硅片厚度和增加焊料厚度可以降低應力。

3 圓片背面應力去除

圓片背面減薄是通過機械磨削方式，其本身就是一種施壓、損傷、破裂、移除的物理性損傷工藝，必然會在圓片背面形成一定厚度的損傷層，而背面損傷層的存在，破壞了晶圓內(nèi)部單晶硅的晶格排列，使晶圓的內(nèi)部存在較大的應力。晶圓內(nèi)部存在應力的大小與損傷層的厚度成正比，所以損傷層的厚度越大晶圓內(nèi)部存在的應力就越大。

根據(jù)應力仿真的結(jié)果，降低硅片厚度可起到降低應力的作用，而當晶圓變薄時，晶圓自身抗拒應力的能力就變?nèi)?，體現(xiàn)在晶圓外部即晶圓翹曲，如圖3所示。翹曲度與晶圓的厚度成反比，翹曲度越大，對于晶圓內(nèi)部存在的應力越大，所以在晶圓背面金屬化或切割前必須進行去除損傷層、釋放應力的后處理。

圖3 晶圓翹曲

本研究采用化學濕法刻蝕技術(shù)，試驗使用200 mm規(guī)格減薄至200 μm的圓片，腐蝕液用HF（40%wt）、HNO3（70%wt）、CH3COOH與水按一定比例混合后的溶液，工藝過程中嚴格控制腐蝕速率，經(jīng)反復試驗，圖4是減薄后損傷層經(jīng)30 s、120 s、180 s腐蝕后在1000倍顯微鏡下的表面狀態(tài)。由圖4可以看出，減薄的樣品表面較為粗糙，且表面存在較多直線型裂紋、微裂紋分布。隨著腐蝕反應的進行，原來樣品表面存在的微裂紋開始變寬，逐漸被撫平，而原來較深的直線型裂紋則在樣品表面以“V”型槽的形態(tài)留了下來。

同時對腐蝕后的翹曲度進行了測量，表4為刻蝕前后翹曲度的比較，從表4中可看出圓片翹曲的情況有了非常大的改善，顯著地減小了圓片翹曲度。

表4 圓片翹曲度統(tǒng)計

4 超大面積芯片燒結(jié)實驗設計

4.1 材料選擇

芯片尺寸選擇11.5 mm×11.5 mm；根據(jù)應力仿真的結(jié)果，硅片厚度適當降低，芯片厚度減薄為300 μm；腐蝕去應力后圓片進行Vi-Ni-Au背面金屬化；焊料為Au80Sn20焊料，增加焊料厚度有利于降低應力，但焊料層越厚熱阻也將增大，綜合考慮選用厚度為76 μm的焊料層。

4.2 預處理

焊料及外殼表面被玷污或氧化會嚴重影響焊接面的浸潤性。為增強浸潤性，減少焊接空隙，提高芯片焊接強度，燒結(jié)前對Au80Sn20焊料和外殼進行了預處理，采用微波等離子清洗以去除有機玷污，之后用射頻等離子清洗以去除表面氧化層。

4.3 優(yōu)選焊接壓力

共晶焊接時應在芯片上施加一定的壓力。壓力太小或不均勻會使芯片與焊料及基板間產(chǎn)生孔隙或虛焊。壓力太大會使芯片碎裂，也會將焊料從芯片底部擠出，使焊料層厚度變薄，未起到緩釋應力的作用。因此焊接時壓力的設計很重要，要根據(jù)芯片材料、厚度、大小進行設計、試驗優(yōu)化，才能得到高質(zhì)量的焊接。本文對重力塊重量對焊接質(zhì)量的影響進行了試驗研究。

4.4 優(yōu)化燒結(jié)曲線

燒結(jié)曲線主要是試驗不同溫度-時間的匹配，最終使焊料充分熔化但潤濕范圍小，以保證焊料層的厚度在要求指標內(nèi)，并保證焊接層的孔隙率要低。工藝曲線分3段：預熱、真空燒結(jié)和冷卻。預熱和冷卻階段緩慢升降溫，并在Au80Sn20焊料熔點附近，預熱和冷卻溫度達到260 ℃時保持2 min，減小高溫時瞬間熱沖擊以釋放焊接應力。

4.5 可靠性試驗

為了考核超大面積芯片燒結(jié)后是否能通過產(chǎn)品可靠性考核，樣品燒結(jié)后進行鍵合、金錫合金封帽。

可靠性試驗項目包括穩(wěn)態(tài)壽命、耐濕、溫度循環(huán)、熱沖擊、機械沖擊、掃頻振動、恒定加速度等試驗。為了驗證經(jīng)試驗后是否會因應力導致出現(xiàn)失效點或芯片上出現(xiàn)裂紋，在每一項試驗后都進行電性能測試，并在最后進行X射線檢測及高倍顯微鏡下檢查，做到全程有效監(jiān)控。

5 超大面積芯片共晶燒結(jié)試驗結(jié)果及分析

5.1 焊接壓力對焊料層厚度和孔隙的影響

試驗采用靜壓式燒結(jié)芯片，作用在芯片上的壓力采用重力塊。3種重量的重力塊用同一燒結(jié)曲線進行多次燒結(jié)；采用11.5 mm×11.5 mm的Au80Sn20焊料片和芯片、襯底鍍金外殼；燒結(jié)后觀察焊料溢料的外觀情況、測量焊料層厚度以及X射線檢測孔隙率。

圖5是不同重量的重力塊燒結(jié)后的外觀狀態(tài)，表5是樣品燒結(jié)后焊料層厚度和孔隙檢測的結(jié)果。

圖5 重力塊燒結(jié)后焊料潤濕外形圖

表5 不同重量重力塊燒結(jié)樣品的情況

從圖1和表5檢測的數(shù)據(jù)可知，在芯片耐壓的范圍內(nèi)，隨著重力塊重量的增加，芯片周圍焊料流淌潤濕的范圍變大，溢料變多，平均孔隙率隨之減小，芯片與基板間的焊料層厚度也隨之減小?？梢娭亓K的重量是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素之一。綜合各因素最終選擇10 gf的重力塊用于后續(xù)燒結(jié)、可靠性測試樣品。

5.2 燒結(jié)溫度對孔隙、溢料的影響

Au80Sn20焊料片尺寸為11.5 mm×11.5 mm×0.76 mm；芯片尺寸為11.5 mm×11.5 mm×0.3 mm；襯底鍍金外殼；10 gf重力塊；真空充氮燒結(jié)爐。

試驗不同溫度燒結(jié)焊料潤濕和孔隙率的變化，優(yōu)選溫度-時間燒結(jié)曲線。試驗3個溫度即310 ℃、325 ℃、340 ℃，保持時間2 min，結(jié)果見表6。

從表6中的結(jié)果可知，較厚的焊料燒結(jié)，在同樣壓力下隨著溫度增高，焊料熔融嚴重且孔隙率高。這主要是因為焊料熔融流淌時易出現(xiàn)氣泡，導致孔隙變多，被擠出的焊料量多，焊料層必將變薄。表中溫值條件310 ℃、2 min時焊料流淌均勻，擴散的范圍小、溢出料少，焊料層厚度厚，孔隙率也小，所以選擇合適的壓力和溫度可獲得比較理想的燒結(jié)效果。

5.3 Au80Sn20封帽對芯片燒結(jié)孔隙的影響

由于封帽工藝采用Au80Sn20焊料氣密性封帽，與芯片燒結(jié)焊料相同，二道工藝焊接溫度接近。為了考察芯片燒結(jié)再經(jīng)封帽高溫后是否會引起芯片焊接層孔隙變化，出現(xiàn)孔隙變大的現(xiàn)象，在封帽后對樣品進行了X射線檢查，表7是芯片燒結(jié)后及封帽后孔隙率的對比。

從表7中可以看出，封帽前、后X射線檢查比較，焊接周圍的外觀略有變化，但總孔隙率和單個孔隙的尺寸未發(fā)生大的變化，說明前、后道工藝溫度匹配性設計得當，工藝可應用。

5.4 可靠性試驗結(jié)果及分析

為了考核超大面積芯片燒結(jié)后的可靠性，產(chǎn)品封裝后按表8中試驗次序及項目進行試驗，并在每項試驗后都進行電性能的測試，實時監(jiān)控失效點發(fā)生在哪一步，結(jié)果見表8。

表7 芯片燒結(jié)與封帽后孔隙率對比

從表8中可知，每項試驗后20只樣品電測試均合格，未因熱應力和機械應力導致的失效。對經(jīng)可靠性試驗后的20只樣品進行X射線檢測和高倍顯微鏡下檢查，芯片焊接完好，無碎裂和隱裂紋的存在，樣品通過可靠性驗證。

6 結(jié)論

對11.5 mm×11.5 mm超大面積芯片燒結(jié)工藝技術(shù)的研究，針對封裝過程產(chǎn)生的應力，從材料、工藝上采取必要的去應力措施，產(chǎn)品通過可靠性驗證，滿足了產(chǎn)品可靠性的要求，為超大面積芯片燒結(jié)在高頻大功率器件的應用提供依據(jù)，特別是航天產(chǎn)品在特殊環(huán)境中有散熱、抗輻射、氣密性封裝內(nèi)部氣氛等方面高可靠性要求的應用，具有重大意義，此研究成果可覆蓋11.5 mm×11.5 mm以下尺寸芯片燒結(jié)工藝。

表8 可靠性試驗項目及結(jié)果

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