劉洪濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

真空燒結(jié)技術(shù)研究

劉洪濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

隨著電子裝備和系統(tǒng)對(duì)可靠性及使用期的要求不斷提高，對(duì)于集成電路的質(zhì)量和可靠性以及貯存壽命期提出了更高要求，因而對(duì)芯片的焊接工藝也提出了越來越高的要求。通過對(duì)清洗工藝和真空燒結(jié)工藝的深入研究，優(yōu)化清洗工藝，改善焊料與金屬化層的浸潤性，優(yōu)化芯片燒結(jié)工藝參數(shù)，包括選擇合適的升溫速率、燒結(jié)溫度和焊料熔化時(shí)間及冷卻方式等措施，改善了焊料的潤濕性能，減小了空洞面積，提高了芯片焊接強(qiáng)度。

真空燒結(jié)；潤濕；空洞；剪切強(qiáng)度

1 引 言

將半導(dǎo)體芯片裝配到載體上（如管殼等），實(shí)現(xiàn)的方法主要有導(dǎo)電膠粘接和共晶燒結(jié)兩種。其中導(dǎo)電膠粘接芯片具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，但電路長期貯存后其腔體內(nèi)水汽含量會(huì)逐漸增多，可靠性降低，對(duì)武器裝備可能帶來故障隱患，因而，正逐漸被共晶燒結(jié)所取代。

高可靠的集成電路芯片粘接普遍采用合金共晶燒結(jié)粘片方式，共晶燒結(jié)一般采用金屬合金焊料片在熔融溫度下，直接將兩種金屬的界面加熱到等于或高于它們的共熔溫度而進(jìn)行的共熔焊。共晶燒結(jié)的熱性能、電性能及機(jī)械性能都大大優(yōu)于導(dǎo)電膠粘接［1］。以下主要研究了真空燒結(jié)技術(shù)，分析了影響焊接質(zhì)量的幾個(gè)方面，并制訂了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

2 真空燒結(jié)原理

真空燒結(jié)是指在一定的真空度下，利用熔點(diǎn)比被焊接材料的熔點(diǎn)低的合金做釬料，通過加熱使釬料熔化，靠毛細(xì)作用將液態(tài)焊料填充到焊接接觸面的間隙中，通過液態(tài)焊料與被焊金屬之間相互擴(kuò)散溶解形成金屬間化合物，最后經(jīng)過冷卻形成高可靠的焊接［2］。為了使芯片和封裝載體之間粘接強(qiáng)度高，空洞少，接觸電阻和接觸熱阻小，熱匹配好，使器件具有高的抗熱疲勞性能和較高的可靠性，通常需要在芯片背面制作多層金屬化層，使得真空燒結(jié)后芯片、多層金屬化層、焊料、載體應(yīng)力相匹配，粘附牢固。

3 真空燒結(jié)工藝研究參數(shù)的確定

燒結(jié)后焊料的狀態(tài)，以及焊料與管芯之間、焊料與載體之間的界面狀態(tài)在很大程度上影響到焊接質(zhì)量。在焊接中，空洞的出現(xiàn)是不可避免的，是普遍存在的，控制不好可影響芯片的粘接強(qiáng)度。粘接處空洞面積的大小直接決定著焊接質(zhì)量的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和散熱性，進(jìn)而直接影響軍用電子元器件的長期可靠性。因此，在燒結(jié)時(shí)對(duì)芯片粘接工藝進(jìn)行了優(yōu)化和評(píng)估，通過優(yōu)化清洗工藝和燒結(jié)工藝，形成了芯片粘接工藝質(zhì)量控制技術(shù)，改善焊料的潤濕性能，減小芯片粘接處空洞面積，有效提高真空燒結(jié)工藝質(zhì)量，消除缺陷，獲得高使用可靠性的產(chǎn)品，避免因芯片燒結(jié)質(zhì)量問題等因素可能出現(xiàn)的可靠性隱患，確保軍品電路的可靠性。

4 真空燒結(jié)工藝研究

4.1 清洗工藝研究

真空燒結(jié)選用焊料為厚度50μm的Pb-In-Ag焊片，其中含92.5%Pb、5%In、2.5%Ag，所用載體為鍍Au的陶瓷管殼。在燒結(jié)時(shí)，應(yīng)保證焊料及管殼清潔，去除有機(jī)粘污及氧化層等［3］。燒結(jié)前，采用乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑對(duì)材料進(jìn)行濕法清洗后，用去離子水沖洗，再用乙醇脫水，并在烘箱內(nèi)烘干。濕法清洗能夠有效去除材料表面的有機(jī)沾污及灰塵，但無法清除表面氧化層。因而，引入了等離子清洗技術(shù)，該技術(shù)主要是依靠等離子體中活性粒子的＂活化作用＂達(dá)到去除物體表面污漬的目的。

選用合適的惰性氣體作為反應(yīng)氣體，可以有效去除殘留的有機(jī)玷污及表面的氧化物。調(diào)整清洗模式、清洗功率和清洗時(shí)間來進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過對(duì)等離子清洗后的表面狀態(tài)的檢測(cè)及真空燒結(jié)后的焊料浸潤情況、粘接效果、剪切強(qiáng)度等進(jìn)行對(duì)比，得到最佳清洗工藝。研究試驗(yàn)表明，對(duì)管殼采用氧氣進(jìn)行等離子清洗，對(duì)芯片及合金片采用氬氣進(jìn)行等離子清洗，可以改善合金片、芯片背金面及管殼鍍金層真空燒結(jié)時(shí)的浸潤性，提高粘片區(qū)域的有效粘接面積，提高粘接質(zhì)量。

4.2 燒結(jié)工藝研究

燒結(jié)工藝的好壞直接決定著粘接空洞面積的大小，從而決定著產(chǎn)品的長期可靠性。在對(duì)所用原材料進(jìn)行清洗后，我們通過優(yōu)化燒結(jié)工藝，改善焊料的浸潤性，減小空洞面積。真空燒結(jié)工藝曲線如圖1所示，燒結(jié)過程主要分為三個(gè)部分，具體如下：

（1）A、B段為長時(shí)間去氣，以較小升溫速率從室溫開始加熱，在焊料熔點(diǎn)以下40℃左右停留一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱。充分的預(yù)熱可以使熱容較大的底座和管芯處于等溫狀態(tài)，可以防止局部冷焊或過熱焊點(diǎn)。

（2）調(diào)整燒結(jié)溫度和焊料熔化時(shí)間，C段為短時(shí)間焊料高溫熔化。預(yù)熱后快速升溫達(dá)到焊料液相線以上60℃左右，短時(shí)間停留。峰值溫度及停留時(shí)間不僅影響到潤濕效果，而且對(duì)焊料和被焊材料之間釬焊接面發(fā)生冶金反應(yīng)的程度也有很大影響。如果溫度過高或者停留時(shí)間過長，金屬間化合物的成長就會(huì)增大，金屬間化合物的晶粒過大或數(shù)量過多對(duì)焊接質(zhì)量是有害的。所以制定適當(dāng)?shù)姆逯禍囟燃巴Ａ魰r(shí)間是很重要的。

（3）真空燒結(jié)芯片的主要指標(biāo)為強(qiáng)度和韌性，晶粒細(xì)化是同時(shí)提高材料強(qiáng)度和韌性的唯一方法，其基本途徑是保證焊料及被焊材料同時(shí)快速冷卻，提高晶核成長速度。D段為從峰值溫度快速冷卻到260℃左右，細(xì)化晶粒，提高粘接強(qiáng)度。E段為緩慢冷卻，降低焊接面的殘余應(yīng)力，進(jìn)一步提高可靠性。殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低焊接區(qū)金屬的塑性和抗疲勞強(qiáng)度，適當(dāng)延長燒結(jié)電路在爐內(nèi)的冷卻時(shí)間，將焊接產(chǎn)生的彈性應(yīng)變變成塑性應(yīng)變，使應(yīng)力得到釋放。

圖1 真空燒結(jié)工藝曲線

5 結(jié)果與討論

5.1 焊料潤濕性

焊料的潤濕性是金屬合金粘接工藝質(zhì)量好壞的一個(gè)很重要因素，焊料潤濕性好，流散性能好，鋪展性好，焊接質(zhì)量就能得到保證［4］。焊接溫度較低，在焊料熔化溫度停留時(shí)間較短，焊料鋪展面積就很小，甚至在芯片四周的大部分區(qū)域看不到焊料流淌出來，這種情況為不良粘接，如圖2所示。相反，焊接溫度越高，在焊料熔化溫度停留時(shí)間越長，焊料鋪展面積就越大，但過高的溫度和過長的停留時(shí)間都會(huì)使焊料流失嚴(yán)重，造成粘接強(qiáng)度下降。所以，制定合適的焊接溫度和停留時(shí)間是決定焊料鋪展的關(guān)鍵。

通過優(yōu)化燒結(jié)工藝來提高合金焊料的潤濕性，使焊料潤濕性得到了明顯改善，芯片粘接效果較好，焊料流淌較均勻，焊料超出芯片棱邊的流淌區(qū)域?qū)挾葹?mm-2mm，如圖3所示。

通過X射線檢測(cè)和顯微鏡觀察燒結(jié)界面形貌，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝后燒結(jié)界面空洞減少了10%-20%，芯片與管殼的粘接面空洞面積明顯較小，如圖4所示。

5.2 芯片剪切強(qiáng)度測(cè)試

5.2.1 試驗(yàn)方法

使用Dage Series 4000型剪切強(qiáng)度/鍵合強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)量，測(cè)量方法及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照GJB548B-2005方法2019的要求執(zhí)行。為檢驗(yàn)真空燒結(jié)技術(shù)研究的技術(shù)指標(biāo)，將剪切強(qiáng)度試驗(yàn)量程設(shè)定為100KG，確保試驗(yàn)?zāi)軐⑿酒羟械舨⒌玫綄?shí)際數(shù)值。

5.2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

分別在原燒結(jié)工藝和優(yōu)化工藝基礎(chǔ)上，選用相同的管殼和芯片分別粘接了10個(gè)樣管，對(duì)得到的燒結(jié)半成品進(jìn)行高溫儲(chǔ)存、熱沖擊、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、振動(dòng)、恒定加速度等環(huán)境和應(yīng)力試驗(yàn)，最后進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，得到一系列數(shù)據(jù)，如表1所示。從表中可以看出，工藝優(yōu)化后，其剪切強(qiáng)度明顯提高，平均提高了10kg左右。

圖2 焊料鋪展宏觀形貌

圖3 焊料鋪展宏觀形貌

圖4 X光照相形貌

表1 工藝優(yōu)化前和工藝優(yōu)化后剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

真空燒結(jié)是一種對(duì)工藝參數(shù)和操作要求都很嚴(yán)格的焊接工藝，過程中的不嚴(yán)謹(jǐn)就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問題。因此必須采用科學(xué)的態(tài)度去分析并制定切實(shí)有效的清洗工藝和燒結(jié)工藝，不斷提高設(shè)計(jì)水平和工藝水平，為整機(jī)系統(tǒng)提供高可靠、放心的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

［1］ Richard K.Ulrich，William D.Brown，著.高級(jí)電子封裝［M］.李虹，張輝，郭志川，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Richard K.Ulrich，William D.Brown，write.Advanced Electronic Packaging［M］.Li Hong，Zhang-hui，Guo Zhi-chuan，et al translate.Beijing：China Machine Press，2010.

［2］ 杜長華，陳方，黃福祥，等.電子微連接技術(shù)與材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Du Chang-hua，Chen Fang，Huang Fu-xiang，et al.Electronic Micro Bonding Technology and Materials［M］.Bei jing：China Machine Press，2008.

［3］ 曹白楊，張欣，梁萬雷，等.表面組裝技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Cao Bai-yang，Zhang Xin，LiangWan-lei，et al.Surface mount technology base［M］.Beijing：Publishing Hose of Electronics Industry，2012.

［4］ 邵光杰，王銳，董紅星，等.物理化學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

Shao Guang-jie，Wang Rui，Dong Hong-xing，et al.Physical and Chemical［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2002.

Study on Technology of Vacuum Sintering

Liu Hongtao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the increasing requirements for reliability and service life of electronics egipmentand systems，aswell as the requirements for storage life of integrated circuits，are put forward in this paper.So more and more requests for thewelding of chip craftaremade.As the cleaning craft and vacuum sintering technology are deeply researched and the wettability of solder，the void area and the welding strength of chip are improved by the optimization of cleaning process，improving the solder infiltration with themetal layers，the optimization of the process parameters such as heating rate，sintering temperature，solder melting time and coolingmethod.

Vacuum sintering；Wetting；Void；Shear strength

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.004

TN4

A

1002-2279（2015）03-0009-03

劉洪濤（1975-），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主研方向：微電子。

2014-10-27