葛秋玲，陳 陶

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在大多數(shù)封裝應(yīng)用中，半導(dǎo)體芯片需要芯片貼裝工藝來實(shí)現(xiàn)芯片與封裝基座的固定，芯片貼裝方法主要有貼片膠粘接、銀玻璃燒結(jié)和合金焊料焊接三種方式。貼片膠粘接具有工藝簡(jiǎn)單、速度快、成本低、可修復(fù)、對(duì)芯片背面金屬化無特殊要求的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。由于貼片膠中含有有機(jī)溶劑，材料分配后或在固化過程中有機(jī)溶劑很容易由于毛細(xì)作用通過陶瓷基板的微孔擴(kuò)散，嚴(yán)重時(shí)擴(kuò)散出來的溶劑覆蓋在指狀鍵合金屬化區(qū)域，導(dǎo)致無法引線鍵合。

溶劑擴(kuò)散的現(xiàn)象變成了困擾貼片工藝的一個(gè)嚴(yán)重問題，本文針對(duì)陶瓷外殼中最常見的金屬化表面溶劑擴(kuò)散問題，重點(diǎn)介紹溶劑擴(kuò)散的現(xiàn)象、機(jī)理和引起擴(kuò)散的影響因素，以及解決溶劑擴(kuò)散的方法。

2 溶劑擴(kuò)散現(xiàn)象描述

近幾年來隨著封裝產(chǎn)能、不同封裝形式品種應(yīng)用的增加，生產(chǎn)中出現(xiàn)了嚴(yán)重的溶劑擴(kuò)散沾污鍵合指的問題，如圖1。根據(jù)產(chǎn)品檢查統(tǒng)計(jì)記錄顯示，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口供應(yīng)商的外殼均有部分品種發(fā)生，且發(fā)生頻率和擴(kuò)散的嚴(yán)重性與外殼型號(hào)、批次緊密相關(guān)。

溶劑擴(kuò)散是由于聚合物材料中含有的有機(jī)溶劑因毛細(xì)作用通過陶瓷基板的微孔浸滲潤(rùn)濕反應(yīng)，低粘度聚合物沿著基板表面遷移的現(xiàn)象。這是由于樹脂和基板的表面能不同，導(dǎo)致粘接劑中的有機(jī)成份圍繞基板表面進(jìn)行遷移。

圖1 溶劑擴(kuò)散沾污鍵合指示意圖

3 溶劑擴(kuò)散機(jī)理

液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象稱為潤(rùn)濕，它是物質(zhì)固有的性質(zhì)。

材料的潤(rùn)濕性通常以潤(rùn)濕角θ來表示，潤(rùn)濕角是液態(tài)材料和基板材料之間的界面與焊料表面切線之間的夾角，當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤(rùn)濕；當(dāng)θ =180°時(shí)，完全不潤(rùn)濕，示意圖見圖2。

圖2 潤(rùn)濕角與潤(rùn)濕性關(guān)系示意圖

如圖3所示，在清潔的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全鋪開，這時(shí)可以說水對(duì)玻璃板完全潤(rùn)濕。如果滴的是一滴油，則油滴會(huì)形成一球冠狀，發(fā)生有限鋪開，此時(shí)可以說油滴在玻璃板上能有限潤(rùn)濕。若滴一滴水銀，則水銀將形成一個(gè)球體在玻璃板上滾動(dòng)，這時(shí)說明水銀對(duì)玻璃不潤(rùn)濕。

圖3 不同材料與母材潤(rùn)濕性示意圖

潤(rùn)濕性是由材料的表面張力決定的。作用于液體表面，促使液體表面收縮的力叫做表面張力，表面張力是物的本能，不能消除，但可以改變。

貼片膠是由基體樹脂、固化劑、增韌性、填料、觸變劑、潤(rùn)濕劑、溶劑等混合而成，材料為膏狀形式。分配到基板表面，有機(jī)溶劑在基板表面會(huì)產(chǎn)生如圖4所示的張力作用。

此時(shí)，由于不同的張力關(guān)系，根據(jù)潤(rùn)濕的定量描述楊氏方程：γlcosθ=γs-γsl，式中 θ為接觸角（0＜θ＜180°），γl是液相表面能（表面張力），γs是固相表面能，γsl是固液界面的表面能。

可能產(chǎn)生 3 種情況：（1）當(dāng) γs＞γsl， 0＜θ＜90°，液體處于滲入浸濕并蔓延狀態(tài)，即容易擴(kuò)散的狀態(tài)；（2）當(dāng) γs=γsl，θ=90°, 液體處于停止?fàn)顟B(tài) ,即平衡狀態(tài)，一般最終會(huì)成為此狀態(tài)；（3）當(dāng)γs＜γsl，90°＜θ＜180°，液體不會(huì)滲入，即不容易擴(kuò)散的狀態(tài)。

圖4 材料界面張力示意圖

擴(kuò)散機(jī)理：溶劑擴(kuò)散就是基板的表面能較大，溶劑與基板的界面不斷潤(rùn)濕的過程。當(dāng)固液界面的表面能小于或者等于基板的表面能，這樣溶劑與基板充分接觸，溶劑則不會(huì)在基板表面往外擴(kuò)散。同時(shí)膠與基板也能形成較大的粘接強(qiáng)度。否則溶劑就會(huì)在基板表面擴(kuò)散，形成較大的溶劑擴(kuò)散區(qū)。

貼片膠中溶劑擴(kuò)散是由基板和粘接劑共同決定的，對(duì)于控制潤(rùn)濕或一種材料在另一種材料表面的擴(kuò)散，界面特性是非常重要的，通過降低基板表面張力γs，cosθ將減小，θ將變大，從而達(dá)到減小擴(kuò)散或不擴(kuò)散的狀態(tài)。

4 引起溶劑擴(kuò)散的因素

貼片膠中溶劑在基板表面的擴(kuò)散主要與基板表面的狀態(tài)、貼片膠和工藝條件等密切相關(guān)，具體受到圖5所示幾方面因素的影響。

圖5 引起溶劑擴(kuò)散的因素

4.1 基板表面狀態(tài)

溶劑在基板表面的擴(kuò)散與基板表面的狀況直接相關(guān)，例如基板表面粗糙度、清潔度、基板的抗氧化等級(jí)等，能夠影響材料表面能，并由此影響溶劑擴(kuò)散的程度。

基板表面粗糙度：粗看起來金屬化表面是很光滑的，但是若用顯微鏡放大看，就能看到無數(shù)凹凸不平的晶粒界面，液體沿著凹凸不平的表面鋪展、浸潤(rùn)，就產(chǎn)生毛細(xì)作用。

基板表面清潔度：在外殼用于裝片之前，會(huì)有大量的機(jī)會(huì)引入各種各樣的表面沾污。在外殼生產(chǎn)工序，一個(gè)值得重點(diǎn)懷疑的工序是金層電鍍操作。電鍍槽將外殼暴露在多種有機(jī)和無機(jī)混合物中，當(dāng)金層被淀積在外殼上時(shí)，這些材料可能會(huì)被殘留在金層的微結(jié)構(gòu)中。另外，外殼制造商通常會(huì)先用碳氟化合物/酒精進(jìn)行清洗。這些清洗循環(huán)增加了外殼上溶劑殘留的可能性。

基板表面金屬化抗氧化等級(jí)：金屬化層表面抗氧化等級(jí)越高，溶劑在其表面的擴(kuò)散將越多。

基板防擴(kuò)散處理工藝：為了解決溶劑擴(kuò)散的問題，有些外殼制造商在完成外殼制造工序后，增加了一道防擴(kuò)散處理工藝，即將鍍金后的外殼浸液在含有表面活性劑的藥液中，之后進(jìn)行水洗、干燥。

表面活性劑藥液同時(shí)含有親水基和憎水基，因表面活性劑屬于同性相吸的特性，基板表面的親水基（通常在基板陶瓷或鍍金表面吸附著親水基）和表面活性劑的親水基相互吸著，由此，在基板表面，因憎水基向外排列，使得基板表面的表面張力降低，形成液體不滲入、溶劑不容易擴(kuò)散的狀態(tài)。

圖6 表面活性劑親水基與基板表面親水基示意圖

4.2 貼片膠類型

液體表面分子受到液體內(nèi)分子的引力大于大氣分子對(duì)它的引力，因此液體表面都有自動(dòng)縮成最小的趨勢(shì)。含有更高分子量樹脂的粘接劑，或貼片膠中含有高表面張力稀釋劑（或溶劑），其溶劑擴(kuò)散將更少。另外貼片膠制造工藝也有防擴(kuò)散和不防擴(kuò)散兩種工藝。防擴(kuò)散工藝是在材料制作配方中添加如酚類、聚酰亞胺和氰酸脂等材料以阻止溶劑的流動(dòng)性，此種貼片膠將不發(fā)生或在膠體周圍微量溶劑擴(kuò)散。

4.3 工藝條件

貼片膠固化工藝條件如固化的溫度、時(shí)間，以及固化前的停留時(shí)間，對(duì)溶劑擴(kuò)散程度也會(huì)有一些影響。貼片膠生產(chǎn)廠家推薦制定工藝條件時(shí)，在保證粘接可靠性的情況下，可適當(dāng)提高固化溫度、減少固化的升溫時(shí)間和減少固化前的停留時(shí)間，來減少溶劑的擴(kuò)散。

5 試驗(yàn)及結(jié)果

由于溶劑擴(kuò)散受到基板表面狀態(tài)、貼片膠類型和工藝條件等影響，針對(duì)這幾方面的因素進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)及結(jié)果詳述如下。

5.1 基板表面狀態(tài)

5.1.1 基板表面粗糙度

在外殼供應(yīng)商A和B中，通過掃描電鏡分析兩家供應(yīng)商外殼的表面輪廓，供應(yīng)商A的外殼表面相對(duì)平滑、無孔，但相反地，供應(yīng)商B的外殼表面有許多粒狀和明顯的多孔性表面，見圖7、圖8。

圖7 供應(yīng)商A安裝區(qū)表面（1090×）

圖8 供應(yīng)商B安裝區(qū)表面（1090×）

試驗(yàn)Ablestik和Epoxy的粘接劑在供應(yīng)商B的外殼中都出現(xiàn)了嚴(yán)重的溶劑擴(kuò)散問題，但在供應(yīng)商A的外殼中沒有或只有很少的溶劑擴(kuò)散出現(xiàn)。

對(duì)于供應(yīng)商B的外殼導(dǎo)致嚴(yán)重的溶劑擴(kuò)散問題，表面的多孔性被認(rèn)為能通過毛細(xì)管的傳輸作用及數(shù)量促進(jìn)樹脂擴(kuò)散。盡管多孔性表面能極大地促進(jìn)最終的溶劑擴(kuò)散，但這并不被認(rèn)為是溶劑擴(kuò)散問題的首要成因。同樣是存在多孔性表面的供應(yīng)商B其他批次外殼，有一些只有很輕微的溶劑擴(kuò)散問題。

另外，此次試驗(yàn)中，有供應(yīng)商A的外殼，即便是非多孔性表面，也仍然存在一定程度的溶劑擴(kuò)散問題。

5.1.2 基板表面清潔度

外殼表面沾污主要發(fā)生在外殼生產(chǎn)過程中，為了發(fā)現(xiàn)這些表面沾污的存在，做了兩組試驗(yàn)，采用供應(yīng)商B的外殼，一組外殼在去離子水中蒸煮/冷卻循環(huán)，連續(xù)5次，每次10 s。另外一組外殼在真空環(huán)境下200 ℃烘烤4 h。隨后，將粘接劑點(diǎn)在兩組外殼上測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這兩組樣品都沒有發(fā)生溶劑擴(kuò)散問題。明顯地，經(jīng)水煮或真空烘烤方法消除了外殼生產(chǎn)工序中的溶劑殘留物，見圖9。

圖9 處理前后溶劑擴(kuò)散比較

基板鍍金的表面如采用等離子清洗以去除表面沾污物，只會(huì)增加表面的潤(rùn)濕性，溶劑擴(kuò)散問題將更加嚴(yán)重，圖10是等離子清洗前后溶劑擴(kuò)散狀態(tài)的示意圖。

圖10 鍍金層表面等離子清洗前后溶劑擴(kuò)散比較

5.1.3 基板表面金屬化抗氧化等級(jí)

金屬化層表面抗氧化等級(jí)越高，溶劑在其表面的擴(kuò)散將越多。從圖11中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)基板金屬化層抗氧化等級(jí)從0到5%時(shí)，每種類型粘接劑材料在其表面的擴(kuò)散程度都增加了，擴(kuò)散程度增加的那個(gè)點(diǎn)由粘接劑材料所決定。

5.1.4 基板防擴(kuò)散處理工藝

為了解決溶劑擴(kuò)散的問題，有些外殼制造商在完成外殼制造工序后，增加了一道防擴(kuò)散處理工藝。

供應(yīng)商A某型號(hào)一批次的外殼，生產(chǎn)中出現(xiàn)嚴(yán)重溶劑擴(kuò)散且覆蓋在鍵合指上，比例達(dá)20%，將問題反饋給供應(yīng)商，后續(xù)訂單外殼采用防擴(kuò)散處理工藝，生產(chǎn)了約12萬只產(chǎn)品未發(fā)生溶劑擴(kuò)散。

從上述各方面的驗(yàn)證試驗(yàn)得出，解決溶劑擴(kuò)散的問題，可通過降低基板表面的粗糙度、降低或改變基板表面抗氧化的化學(xué)性質(zhì)、通過清洗/加熱處理以及對(duì)外殼采取防擴(kuò)散處理工藝等方法，均能在一定程度上減小溶劑擴(kuò)散或達(dá)到不擴(kuò)散的狀態(tài)，但并不能完全消除溶劑擴(kuò)散。

5.2 貼片膠類型

在實(shí)際使用中，要通過試驗(yàn)來優(yōu)選貼片膠類型，但由于基板表面的不同狀態(tài)，貼片膠在基板表面存在不同程度的擴(kuò)散。對(duì)3個(gè)廠家各3種貼片膠進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果詳見表1。

6 結(jié)論

陶瓷封裝中貼片膠溶劑擴(kuò)散現(xiàn)象的出現(xiàn)，與基板表面狀態(tài)、貼片膠類型和粘接固化工藝條件相關(guān)。減少溶劑擴(kuò)散最有效的方法是與外殼供應(yīng)商一起合作，多個(gè)方法共同作用，通過降低基板表面的表面張力來減少溶劑擴(kuò)散程度或達(dá)到不擴(kuò)散的狀態(tài)。

圖11 不同粘接劑在不同抗氧化等級(jí)基板上溶劑擴(kuò)散比較

表1 幾種類型貼片膠溶劑擴(kuò)散情況

通過對(duì)引起溶劑擴(kuò)散的各相關(guān)因素的一些試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論。

（1）陶瓷外殼中溶劑擴(kuò)散，并不是因膠配方中的固有缺陷導(dǎo)致，和外殼表面狀況密切相關(guān)。

（2）外殼表面的粗糙度并不是溶劑擴(kuò)散問題的首要成因。外殼多孔性表面導(dǎo)致的毛細(xì)管傳輸作用，出現(xiàn)更嚴(yán)重的溶劑擴(kuò)散問題，但也有一些批次的未發(fā)生；而在光滑和無孔的表面，仍然有不同程度的溶劑擴(kuò)散問題。

（3）外殼表面沾污的出現(xiàn)將改變外殼表面的潤(rùn)濕特性，會(huì)促進(jìn)樹脂中較輕成分的液相分離。沾污最有可能出現(xiàn)在金層電鍍工序中，這種沾污促進(jìn)了清洗溶劑的激活吸收作用，導(dǎo)致和所用的貼片膠產(chǎn)生表面潤(rùn)濕反應(yīng)。

（4）采用去離子水煮外殼或高溫和真空處理外殼，能去除電鍍工序、清洗劑溶劑和原始沾污殘留，可消除溶劑擴(kuò)散。

（5）基板表面金屬化抗氧化等級(jí)與溶劑擴(kuò)散有關(guān)，金屬化層表面抗氧化等級(jí)越高，溶劑在其表面的擴(kuò)散將越多。

（6）采用外殼防擴(kuò)散的處理工藝，表面活性劑藥液使得基板的表面張力降低，能有效地消除溶劑擴(kuò)散。

（7）不同類型的貼片膠在抵抗擴(kuò)散時(shí)有著很小的差別。采用防擴(kuò)散工藝配方的膠，相對(duì)而言溶劑擴(kuò)散程度較輕。

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