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        淺析硅氧化層對(duì)燒結(jié)工藝的影響

        2018-10-19 16:09:08彭文忠
        科學(xué)與財(cái)富 2018年27期

        彭文忠

        摘 要:硅的表面總是覆蓋一層二氧化硅(SiO2),即使是剛剛解理的硅,在室溫下,只要在空氣中,一暴露就會(huì)在表面形成幾個(gè)原子層的氧化膜。

        關(guān)鍵詞:自然氧化層;燒結(jié);空洞

        0.引言

        隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,半導(dǎo)體器件和組件在較多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。如雷達(dá)、遙控遙測(cè)、船舶、海洋探測(cè)、航空、航天等領(lǐng)域,隨著空間的擴(kuò)展和使用環(huán)境的惡劣不斷加劇,都對(duì)其可靠性提出了越來越高的要求。而因芯片焊接不良造成的失效也越來越引起了人們的重視,因?yàn)檫@種失效往往是致命的。

        在半導(dǎo)體材料中,硅是唯一能夠用一層氧化層進(jìn)行表面鈍化的材料。從物理性質(zhì)來看,二氧化硅材料是一種十分理想的電絕緣材料。硅的表面總是覆蓋一層二氧化硅(SiO2),即使是剛剛磨片或拋光的硅,在室溫下,暴露在氧氣或空氣氣氛中的硅就會(huì)在表面形成極薄的自然氧化層。而該自然氧化層的存在會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在焊接過程中(采用金銻焊片將芯片直接焊接到管座上),芯片與管座之間形成較多的空洞,影響到產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

        本文主要討論的問題就是由于芯片背面存在自然氧化層,導(dǎo)致產(chǎn)品焊接存在空洞的問題進(jìn)行探討和淺析。

        1、燒結(jié)工藝的簡介

        芯片到封裝體(管座)的焊接方式很多,可概括為金屬合金焊接法(如采用金銻、金錫、鉛錫銀等焊片粘接)和樹脂粘貼(如導(dǎo)電膠粘片)兩大類。它們連接芯片的機(jī)理大不一樣,必須根據(jù)器件的種類和要求進(jìn)行合理選擇。要獲得理想的連接質(zhì)量,還需要有針對(duì)性地分析各種焊接(粘貼)機(jī)理和特點(diǎn),燒結(jié)工藝是通過加熱,使芯片與管座之間,通過焊料片,形成良好的焊接。并且該焊接具有良好的熱傳導(dǎo)能力及可靠的機(jī)械牢固度。芯片的焊接是指半導(dǎo)體芯片與載體(封裝管座或基片)形成牢固的、傳導(dǎo)性或絕緣性連接的方法。焊接層除了為器件提供機(jī)械連接和電連接外,還須為器件提供良好的散熱通道。因此芯片的焊接質(zhì)量一般通過芯片與管座之間的粘附強(qiáng)度、熱阻大小來表征。

        樣品芯片焊接工藝采用金銻焊片作為焊接材料。金的熔點(diǎn)為1063℃,硅的熔點(diǎn)為1414℃,但金硅合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于單質(zhì)的金和硅。從二元系相圖中能夠看到,含有31%的硅原子和69%的金原子的 Au-Si共熔體共融溫度為370℃。這個(gè)共融溫度是選擇合適的焊接溫度的主要根據(jù)。金硅共融焊接法就是芯片、焊片(金銻焊片)、管座在一定溫度下,金硅合金融化成液態(tài)的Au-Si共熔體;冷卻后,當(dāng)溫度低于共融溫度時(shí),共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯP问交ハ嘟Y(jié)合的機(jī)械混合物——金硅共熔晶體而全部凝固,從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。該焊接法具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高和含較少的雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。器件焊接質(zhì)量是否良好的標(biāo)志是芯片與管座焊接面之間的界面是否牢固、平整和是否有空洞。因而結(jié)合工作實(shí)際這里主要針對(duì)此種焊接技巧的失效原因和解決措施進(jìn)行討論。

        2、樣品燒結(jié)空洞分析

        2.1燒結(jié)空洞問題簡述

        樣品芯片焊接工藝采用的焊片為金銻焊片(Au99%-Sb1%),芯片背面為裸硅。樣品在進(jìn)行X光檢測(cè),發(fā)現(xiàn)大量樣品存在空洞,部分樣品的空洞面積達(dá)到了70%以上,如圖1所示:

        對(duì)樣品批次進(jìn)行統(tǒng)計(jì),有空洞的產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到了60%。對(duì)空洞樣品的焊接處進(jìn)行觀察,芯片與焊料焊接良好,包裹完整,無異常。

        2.2燒結(jié)空洞問題分析

        造成樣品燒結(jié)空洞過大的原因存在兩個(gè)方面:

        ①芯片背面氧化;

        ②零件底座存在沾污

        針對(duì)燒結(jié)空洞的判斷,我們對(duì)芯片表面氧化和零件底座沾污兩個(gè)可能進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。見下表所示

        從以上試驗(yàn)來看,造成樣品燒結(jié)空洞大的主要因素為芯片背面氧化。

        3、自然氧化層對(duì)燒結(jié)工藝的影響

        自然氧化層為何對(duì)產(chǎn)品燒結(jié)空洞造成如此大的影響呢?為此,我們對(duì)自然氧化層的形成及對(duì)燒結(jié)工藝的影響進(jìn)行分析。

        3.1 自然氧化層的形成

        采用金硅共融焊接的產(chǎn)品,芯片焊接面為硅,由于硅直接與大氣直接接觸,因此通常會(huì)該表面生成氧化層。這層氧化層會(huì)很快的覆蓋整個(gè)硅表面,厚度大約在0.5nm~1nm,然后生長速度逐步減緩并最終停止,維持在一定的厚度。其最終的厚度大約在1nm~2nm左右。但其厚度還與其存放的溫濕度、清洗后硅表面的化學(xué)殘留物有一定的關(guān)系。形成的二氧化硅不但能緊緊的依附在硅襯底上,而且具有極為穩(wěn)定的化學(xué)特性和電絕緣特性。

        3.2形成空洞的原理分析

        該型號(hào)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中,采用的芯片為背面裸硅。在Au-Si共融的溫度下,焊片將芯片與底座焊接在一起。而當(dāng)芯片背面有氧化層存在時(shí),這層SiO2會(huì)阻擋在Au-Si之間無法形成良好的共融,導(dǎo)致焊接浸潤不均勻,焊接質(zhì)量降低,空洞增加。

        4、如何避免類似問題發(fā)生

        a. 原材料的前處理,尤其針對(duì)儲(chǔ)存期較長的芯片需考慮進(jìn)行背面二次減??;

        b. 劃片前對(duì)圓片背面進(jìn)行去氧化層處理、等離子清洗、退火等;

        5、結(jié)束語

        隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體器件使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,對(duì)產(chǎn)品的可靠性要求也越來越高,芯片的焊接技術(shù)也需要不斷的改進(jìn)和提升。半導(dǎo)體器件焊接失效與焊接面潔凈度差、表面不平整、是否有氧化物、焊接工藝不穩(wěn)定以及管座鍍層質(zhì)量等有關(guān)。要解決芯片焊接不良問題,必須針對(duì)不同的焊接機(jī)理,逐一分析各種失效模式,及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的不利因素,同時(shí)嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn),采用科學(xué)的質(zhì)量管理方法,加強(qiáng)工藝管理,才能有效地避免因芯片焊接不良對(duì)產(chǎn)品可靠性造成的潛在危害。

        參考文獻(xiàn):

        [1] James D.Plummer,Michael D. deal,Peter B. Griffin 嚴(yán)利人等譯 硅大規(guī)模集成電路工藝技術(shù) 電子工業(yè)出版社, 2010.

        [2] 半導(dǎo)體焊接技術(shù)

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