李　波，夏俊生，李壽勝

(北方通用電子集團(tuán)有限公司214所 微電子部，安徽 蚌埠 233042)

?

厚膜混合微電子芯片共晶焊工藝研究

李波，夏俊生，李壽勝

(北方通用電子集團(tuán)有限公司214所 微電子部，安徽 蚌埠 233042)

為滿足散熱和封裝內(nèi)部氣氛控制要求，厚膜混合微電子多采用芯片共晶焊工藝。采用分組試驗(yàn)的方法，通過內(nèi)部氣氛檢測(cè)、X射線照相等試驗(yàn)手段，得到了共晶焊工藝中的關(guān)鍵工藝方案。

厚膜混合微電子；共晶焊；內(nèi)部氣氛檢測(cè)；X射線照相；工藝方案

高功率和高可靠性是厚膜混合微電子電路的2個(gè)重要發(fā)展方向，高功率電路要求功率器件粘接達(dá)到較低熱阻，而以某“航天專項(xiàng)工程電子元器件標(biāo)準(zhǔn)要求”為代表的高可靠標(biāo)準(zhǔn)，則要求在125 ℃、1 000 h的穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后，空腔內(nèi)部主要?dú)夥罩笜?biāo)要達(dá)到氮?dú)夂俊?8%、水汽含量≤3 000 mg/L、氧氣含量≤2 000 mg/L以及二氧化碳含量≤2 000 mg/L。這2個(gè)方向決定了應(yīng)采用共晶焊工藝替代傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂粘接工藝。

對(duì)于2種或2種以上金屬構(gòu)成的二元或多元合金(通常是二元或三元)，其單種金屬的熔點(diǎn)可能很高，但不同金屬按一定比例配比所形成合金的熔點(diǎn)卻可以明顯降低，這時(shí)的合金則稱為共晶合金[1]，利用共晶合金將多個(gè)裸芯片焊接到同一個(gè)厚膜混合電路基板上，稱為多芯片共晶。對(duì)共晶焊可靠性驗(yàn)證最常見的方式是通過X射線照相檢查，檢查芯片底部未焊接面積與芯片面積的比值，稱為空洞率檢查，常規(guī)電路空洞率一般要求<50%，某“航天專項(xiàng)工程電子元器件標(biāo)準(zhǔn)要求”則要求<25%。

共晶焊一般按照助焊劑的添加，分為有助焊劑共晶焊和無助焊劑共晶焊，下述將對(duì)這2方面進(jìn)行工藝可靠性研究。

1　有助焊劑共晶焊工藝研究

1.1有助焊劑共晶焊試驗(yàn)

有助焊劑方式共晶焊的工藝特點(diǎn)是在厚膜基板焊接區(qū)加上帶有助焊劑的焊料片后，貼放電路芯片，通過回流或再流等方法完成焊接，最后完成助焊劑清洗。組裝電路在經(jīng)過125 ℃、1 000 h的穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后，內(nèi)部氣氛檢測(cè)，二氧化碳含量較同結(jié)構(gòu)、篩選和試驗(yàn)條件下的環(huán)氧樹脂粘接工藝有顯著下降，滿足二氧化碳含量≤2 000 mg/L的要求，但水汽含量不滿足3 000 mg/L的要求(針對(duì)某電路主要?dú)夥諜z測(cè)指標(biāo)對(duì)比見表1)。

表1　環(huán)氧粘接、有助焊劑共晶芯片空腔內(nèi)部水汽含量對(duì)比表

1.2有助焊劑共晶焊試驗(yàn)分析

金屬焊接替代環(huán)氧樹脂粘接有效地降低了二氧化碳的含量，主要得益于禁用了含碳有機(jī)高分子材料，焊接電路內(nèi)部氣氛水汽含量較高，主要緣于空洞率高及焊接致密度低，通過X射線照相檢查，此工藝空洞率一般>50%(見圖1a)，通過機(jī)械方法剝離芯片，高倍放大，可見焊接面有較大的焊接空洞及孔洞(見圖1b)，電路內(nèi)部的空洞及孔洞殘留了較多水汽，并在長時(shí)間高溫老煉、壽命試驗(yàn)等過程中緩慢釋放出來。焊接空洞或孔洞與助焊劑有直接關(guān)系，為保證低水汽含量、低空洞率的高可靠焊接要求，應(yīng)采用無助焊劑共晶焊工藝。

圖1　芯片有助焊劑共晶空洞或孔洞情況

2　無助焊劑共晶焊工藝研究

無助焊劑的共晶焊方法主要分為兩大類：1)加壓法共晶，一般采用石墨夾具定位厚膜基板和元件，金屬壓塊實(shí)現(xiàn)焊接壓力，有效控制真空/氣氛爐內(nèi)氣氛，通過預(yù)熱、排氣、真空、加溫、降溫和進(jìn)氣等過程，實(shí)現(xiàn)共晶全過程；2)擦動(dòng)法共晶，采用鑷子或吸刀夾持元件，在焊接溫度下，使芯片在基板表面焊區(qū)(已加焊料片)做相對(duì)摩擦，實(shí)現(xiàn)氣氛和氧化物排出，達(dá)到低空洞率焊接。無論是哪種焊接方式，下述幾個(gè)方面的工藝控制都極為重要：1)芯片背面金屬化層；2)基板焊區(qū)金屬化層；3)焊接壓力(主要針對(duì)加壓法共晶)；4)焊接氣氛、焊接溫度及焊接時(shí)間。

2.1芯片背面金屬化層影響研究

2.1.1芯片背金共晶試驗(yàn)

采用焊料共晶時(shí)，裸芯片背面需要金屬化(簡稱背金)。金屬化層分為單層金和多層金，單層金一般是在芯片背面濺射一層金或銀，單層金因在焊接時(shí)很容易被含金或銀焊料融蝕(俗稱“吃金”)，而導(dǎo)致芯片脫落，單層金芯片一般只適合環(huán)氧樹脂粘接工藝。而焊接芯片背面一般濺射多層金，常見的鍍層有(從內(nèi)到外)鈦鎳銀(TiNiAg)、鈦鎳金(TiNiAu)等，鈦起到過渡作用，鎳層起焊接作用，而金或銀層則起防止鎳層氧化的保護(hù)作用。作為焊接層的鎳層有著至關(guān)重要的作用，其厚度直接影響著焊接空洞率，隨著焊接芯片的尺寸大小，對(duì)鎳層的厚度要求也不相同，一般芯片越大，鍍層要求越厚，芯片越小，則鍍層要求越薄。以常規(guī)尺寸2 mm×1 mm的芯片為例，在焊接工藝過程條件相同情況下，分組進(jìn)行芯片鍍層(TiNiAg)厚度與空洞率的對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果見表2，X射線照相圖片如圖2所示。

2.1.2芯片背金共晶試驗(yàn)分析

在共晶時(shí)，熔融焊料首先熔掉芯片背面薄銀層或薄金層，后與焊接層鎳層焊接到一起。通過上述對(duì)比可知，當(dāng)鎳層厚度較小時(shí)，熔融焊料易從芯片邊緣開始“吃”掉芯片鎳層，形成從外到內(nèi)的焊接空洞，之所以從外到內(nèi)部，是由于共晶時(shí)芯片四周界的焊料量要遠(yuǎn)多于芯片底部，熔融能力要比芯片底部中心更強(qiáng)。

表2　不同鎳層厚度共晶焊對(duì)比試驗(yàn)

a)鎳層厚度0.1 μm b)鎳層厚度0.15 μm

c)鎳層厚度0.2 μm

2.1.3工藝參數(shù)選用

通過上述試驗(yàn)及分析可知，對(duì)于混合電路常規(guī)尺寸的多芯片共晶，最可靠的鎳層厚度不應(yīng)<0.2 μm。反之，也可通過芯片空洞大小及分布情況，來判斷背金工藝中鎳層的厚度是否滿足共晶可靠性要求。

2.2基板焊區(qū)金屬化層影響研究

2.2.1基板焊區(qū)金屬化層共晶試驗(yàn)

相對(duì)于裸芯片濺射方式背金不同，厚膜混合電路一般采用絲網(wǎng)印刷的方式在陶瓷、氮化鋁等基板表面沉積一層金屬化層焊區(qū)，常見的焊區(qū)金屬層有金、銀和鉑銀等，一般單純的金屬層不適合焊接，因焊接過程中很容易被焊料熔融掉，因而基板焊區(qū)常選擇摻雜阻焊金屬，如鉑銀，但這類金屬層的焊區(qū)厚度也至關(guān)重要。以不同厚度的鉑銀焊區(qū)為例，在共晶工藝過程條件相同情況下，進(jìn)行金屬層厚度與空洞率對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果見表3，X射線照相圖片如圖3所示。

表3　不同鉑銀厚度共晶焊對(duì)比試驗(yàn)

a)鉑銀厚度6 μm b)鉑銀厚度10 μm

c)鉑銀厚度15 μm

2.2.2基板焊區(qū)金屬化共晶試驗(yàn)分析

通過機(jī)械方法剝離芯片，可見基片焊區(qū)空洞區(qū)域的鉑銀金屬層已被熔融掉。由焊前焊區(qū)膜厚測(cè)量曲線(見圖4)，可見其近似于盆型曲線，說明焊區(qū)周界厚度最高，中心厚度最薄(這也是絲網(wǎng)印刷的特點(diǎn))，因此，共晶時(shí)熔融焊料容易從焊區(qū)中心最薄的地方熔掉鉑銀層，形成上述空洞，其特點(diǎn)是在焊接區(qū)中心區(qū)域，近似圓形，隨著焊接時(shí)間或溫度的增加，有向周界擴(kuò)大的趨勢(shì)。

圖4　基板焊區(qū)膜厚測(cè)量曲線圖

2.2.3工藝參數(shù)選用

通過上述對(duì)比分析可知，芯片共晶焊時(shí)基板焊區(qū)應(yīng)選擇帶有阻焊的金屬層，同時(shí)焊區(qū)最小膜層厚應(yīng)>15 μm。

2.3共晶焊壓力影響研究

2.3.1焊接壓力共晶試驗(yàn)

共晶過程焊接壓力控制也非常重要，適當(dāng)?shù)膲毫κ┘拥叫酒趁?、焊料片及基板焊接區(qū)，能增加焊料浸潤性、減少焊接空洞及保證焊接平整度。本文對(duì)2 mm×2 mm芯片進(jìn)行共晶，考察不同焊接壓力下的焊接空洞率，結(jié)果見表4，X射線照相圖片如圖5所示。

表4　不同共晶壓力條件下對(duì)比試驗(yàn)

a)焊接壓力1.0 gf b)焊接壓力1.5 gf

c)焊接壓力2.0 gf

2.3.2焊接壓力共晶試驗(yàn)分析

在壓力不足時(shí)，共晶時(shí)熔融焊料隨機(jī)停留在某個(gè)區(qū)域，隨著壓力逐漸增加，焊料受壓后基本均勻分布到芯片底部，并通過擠壓逐漸排除隨機(jī)分布的空洞。

2.3.3工藝參數(shù)選用

通過對(duì)比試驗(yàn)研究可知，共晶焊接要達(dá)到理想的焊接效果，一般被焊接物體每平方毫米需施加0.5 gf以上的壓力，同時(shí)應(yīng)注意，施加的壓力不應(yīng)損傷芯片本身。

2.4焊接氣氛、焊接溫度及焊接時(shí)間研究

對(duì)于無助焊劑共晶焊，氣氛保護(hù)尤為重要。在共晶時(shí)，如果惰性氣氛不純，混入氧氣，當(dāng)焊料熔融后，很快在其表面形成氧化膜，使焊料由于表面張力而縮成球狀，嚴(yán)重影響焊料與焊接體的浸潤效果，并大量增加焊接空洞率，甚至無法焊接。

對(duì)于焊接溫度及焊接時(shí)間，焊接溫度過高，焊接時(shí)間過長均可加速上述焊接空洞出現(xiàn)。一般而言，共晶爐設(shè)定的焊接溫度比焊料合金的共融溫度要高30～50 ℃，但在滿足焊接可靠性的情況下，焊接溫度越低越好，焊接時(shí)間則越短越好。對(duì)于擦動(dòng)法多芯片共晶，應(yīng)依次完成所有芯片共晶，焊接總時(shí)間應(yīng)控制好，避免當(dāng)最后一個(gè)芯片完成后，第1個(gè)芯片因焊料長時(shí)間熔融芯片鍍層或基片金屬層而脫落.時(shí)間控制是多芯片共晶的難點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試，采用Au80Sn20焊料共晶，總峰值焊接時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制在3 min以內(nèi)。

3　工藝方案實(shí)施

在上述結(jié)構(gòu)的電路中，根據(jù)其特點(diǎn)，采用無助焊劑、加壓法共晶焊方案。工藝參數(shù)為芯片背金鎳層為2.0 μm，基板焊區(qū)最小鉑銀膜層為18 μm，每平方毫米共晶焊接壓力達(dá)到0.5 gf以上。經(jīng)過X光照相檢測(cè)，多芯片共晶空洞率<25%，機(jī)械剝離芯片，目檢焊料無細(xì)小孔洞(見圖6)。電路經(jīng)125 ℃、1 000 h的穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后，內(nèi)部氣氛各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高可靠標(biāo)準(zhǔn)(結(jié)果見表5)。將圖6、表5和圖1、表1分別進(jìn)行對(duì)比，說明上述工藝參數(shù)研究具有高可靠性。

Research on the HIC Cirucit Dies Eutectic Soldering Technicque

LI Bo, XIA Junsheng, LI Shousheng

(North General Electronic Corporration, Microelectronics Research Division, Bengbu 233042, China)

To meet thermal radiation and in-package atmospheric control requirement, the eutectic soldering technique has been mostly applied in HIC processing. Introduce the research work through grouping experiments, IPA inspection, X-ray inspection and other methods. Finally, conclude a key processing plan of eutectic soldering.

HIC, eutectic soldering, IPA inspection, X-ray inspection, processing plan

圖6　芯片無助焊劑共晶空洞或孔洞情況

TN 452

A