楊文波，王宇飛＊，宋 瑞，韓坤炎，程 坤

（西安賽爾電子材料科技有限公司，陜西 西安 710201）

集成電路產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是國家信息安全保障和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵[1]。玻璃與金屬的封接是制備混合集成電路外殼的重要環(huán)節(jié)，其封接特性直接影響到封接器件的氣密性、可靠性以及絕緣性等各項性能。在一定的高溫下，高粘度的玻璃液會與金屬的表面發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，在兩者的界面處形成化學(xué)鍵[2-4]，化學(xué)鍵的形成過程與玻璃組分聯(lián)系緊密。因此當(dāng)玻璃的熱膨脹系數(shù)滿足封接要求時，玻璃的化學(xué)組成以及封接工藝條件對于封接性能都有著至關(guān)重要的影響。

本文選取SiO2-B2O3-Al2O3系封接玻璃作為基礎(chǔ)玻璃材料，通過前期的實驗研究，采用外加Cr2O3的方式，制備出添加Cr2O3的SiO2-B2O3-Al2O3系適用于混合集成電路金屬外殼用封接玻璃，進(jìn)一步研究混合集成電路的封接工藝對封接性能的影響，通過對產(chǎn)品氣密性、絕緣電阻、耐電壓、封接拉力等性能分析，確定制備混合集成電路金屬外殼的最佳封接工藝參數(shù)。

1 實驗

1.1 潤濕角性能實驗

通過“紐扣實驗”研究玻璃和混合集成電路金屬外殼之間的潤濕角隨封接溫度的變化，通過潤濕角的大小來測定玻璃的封接溫度范圍。

1.2 封接行為實驗

采用鏈?zhǔn)綒夥諢Y(jié)爐進(jìn)行封接，燒結(jié)溫度分別選定900℃～1000℃，高溫區(qū)燒結(jié)時間30min，升溫、高溫、降溫、冷卻進(jìn)氮區(qū)氮氣流量分別為25、25、45、45L/min，出口氣幕氮氣流量為60L/min條件下進(jìn)行實驗。

1.3 性能和特征分析

采用國產(chǎn)型號為“SFJ-231”氦質(zhì)譜檢漏儀對封接產(chǎn)品氣密性進(jìn)行檢漏；采用型號為“MS2670DN”耐電壓測試儀進(jìn)行耐壓測試；采用型號為“UT512”絕緣電阻測試儀進(jìn)行絕緣性能測試；采用型號為“WDW-100”電子萬能試驗機對產(chǎn)品的封接拉力進(jìn)行測試分析。采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型掃描電鏡對經(jīng)過封接產(chǎn)品試樣的表面形貌和顯微組織進(jìn)行檢測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃與金屬之間的潤濕性能研究

通過“紐扣實驗”研究封接玻璃和金屬外殼之間潤濕角隨溫度的變化規(guī)律，確定最佳封接溫度，玻璃和金屬外殼之間的潤濕角隨溫度變化如表1所示。

表1 不同溫度下玻璃與金屬之間的潤濕角(保溫30min)

結(jié)合表1和圖1可以看出，當(dāng)溫度低于960℃，玻璃與金屬之間的潤濕角隨溫度的升高逐漸減小，960℃時，玻璃與金屬之間的潤濕角為40.3°，此時，潤濕角小于45°。當(dāng)溫度升高至980℃時，潤濕角反而略有增大，溫度升高至1000℃時，潤濕角升高到46.2°。當(dāng)可伐合金封接溫度低于920℃，合金表面氧化層較薄，氧化程度較弱，氧化膜的主要成分為FeO。當(dāng)爐溫升高至960℃，由于爐中微氧化氣氛的存在，氧化膜厚度繼續(xù)增加，氧化膜中的Fe3O4和Fe2O3含量不斷增多，氧化膜的外層部分Fe3O4溶解到玻璃中，高價氧化物Fe3O4化學(xué)鍵與玻璃類似，親和性較好，均與可伐合金結(jié)合牢固。當(dāng)溫度升至980℃，潤濕角反而有所增大，由于溫度的持續(xù)升高，氧化膜越來越厚，結(jié)構(gòu)疏松，粘附性變差，導(dǎo)致與玻璃的粘度逐漸降低，此時氧化膜更易溶解到玻璃中，間接降低內(nèi)層FeO含量，氧化膜層容易在金屬表層脫落，濕潤性能降低；當(dāng)溫度升至1000℃，潤濕角繼續(xù)增大，潤濕性能持續(xù)變差，此時玻璃黏度更低，金屬表面的氧化膜繼續(xù)增厚，并且氧化膜外層中的Fe2O3含量更多，內(nèi)層FeO含量繼續(xù)降低，金屬表面的氧化層更容易脫落[5-7]，所以此時玻璃與金屬之間的潤濕角繼續(xù)增大，潤濕性能進(jìn)一步變差。

圖1 封接溫度對潤濕性的影響

2.2 封接溫度確定

封接是玻璃熔化后填充兩者之間的間隙或在金屬表面上完全鋪展開，實際上就是玻璃液與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)鍵的過程[8]，而燒結(jié)指的是在一定的溫度下，材料內(nèi)部固—固相之間或者固—液相之間進(jìn)行反應(yīng)的一個過程，燒結(jié)溫度在材料的軟化點附近開始，低于熔融溫度下進(jìn)行[9]。

從表1可以看出，隨著玻璃封接溫度逐漸提高到960℃，玻璃與金屬的潤濕角開始小于45°，滿足玻璃與金屬封接。為確定最佳的封接溫度，將裝配好的混合集成電路金屬外殼置于鏈?zhǔn)綒夥諢Y(jié)爐中在不同溫度下進(jìn)行封接，封接完成以后對產(chǎn)品進(jìn)行檢測結(jié)果如表2所示。

表2 不同封接溫度下混合集成電路金屬外殼的封接質(zhì)量

從表2可以看出，1#、2#、3#封接溫度偏低，玻璃流動性較差，難以潤濕金屬殼體，封接處漏封，經(jīng)過氣密性檢測，發(fā)生漏氣，絕緣電阻以及耐電壓測試、封接強度及抗熱震性等指標(biāo)均未達(dá)標(biāo)；4#封接溫度適宜，玻璃與金屬潤濕良好，可填滿封接區(qū)域，且玻璃表面無氣泡，封接拉力達(dá)到389N，氣密性、電絕緣性能以、耐電壓測試及抗熱震性等均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；5#和6#的封接溫度較高，玻璃可以填滿封接區(qū)域，但溫度過高，玻璃中的氣體不能達(dá)到一個平衡狀態(tài)，表面存在較多氣泡，尤其是6#樣品，表面甚至出現(xiàn)開口氣泡，氣密性檢測漏氣，且5#和6#樣品經(jīng)抗熱震性能檢測，芯柱與玻璃封接界面處均出現(xiàn)裂紋，封接溫度高導(dǎo)致金屬氧化過度，氧化層過厚易脫層，芯柱抗拉強度出現(xiàn)下降趨勢。因此，最佳封接溫度為960℃，與玻璃和金屬之間的潤濕角測試結(jié)果一致。

2.3 封接件的微觀區(qū)域分析及機理分析

采用線切割的方式將封接完成后的區(qū)域切割，并經(jīng)水砂紙進(jìn)行預(yù)磨和拋光，去離子水和酒精依次清洗表面，烘干后進(jìn)行掃描電鏡觀察分析。

2.3.1 封接件的掃描電鏡分析

圖3（a）為封接玻璃體的掃描電鏡圖，圖3（b）為玻璃體和殼體的掃描電鏡圖。從圖3（a）可以看出，封接完成后的玻璃體致密，無裂紋等缺陷，內(nèi)部僅出現(xiàn)個別小的氣泡，未形成連續(xù)的氣泡，且分布散開，封接效果良好。圖3（b）可以看出，玻璃體和殼體之間的封接界面輪廓清晰，連接緊密，連接處沒有氣泡，因此封接強度較高。

圖3 (a)封接玻璃體的掃描電鏡圖

圖3 (b)玻璃體和殼體的掃描電鏡圖

2.3.2 封接界面處的EDS能譜分析

圖4為殼體和玻璃體連接界面的能譜圖，插圖為試樣能譜分析的掃描電鏡圖。從圖5可以看出，殼體一側(cè)的Fe元素含量較多，到封接界面處Fe元素含量并未直接消失，呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，此時玻璃一側(cè)的Si元素含量也逐漸減少，延伸到殼體一側(cè)。表明在封接過程合中金的Fe元素遷移擴散到玻璃中，玻璃中主要是Si元素的遷移，兩者形成鐵硅化合物。高溫封接過程中，金屬表面的氧化物層（主要是Fe的氧化物層）逐漸溶解到玻璃液中，并在與殼體。接觸的玻璃表層形成一定的濃度梯度，隨著表層氧化物不斷溶解到玻璃液中，一方面表層氧化物的含量逐漸減少，內(nèi)部的金屬又不斷被氧化，另一方面擴散到玻璃中的Fe元素與玻璃中的Si元素反應(yīng)生成鐵硅化合物，同時玻璃中的高活性氧化物Cr2O3也會促進(jìn)這種氧化還原反應(yīng)不斷進(jìn)行[10]，隨著時間的延長，與金屬接觸的玻璃表面中Fe含量達(dá)到飽和狀態(tài)，此時整個界面之間的化學(xué)反應(yīng)也會達(dá)到平衡，玻璃與金屬之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵[11，12]，完成殼體與玻璃的封接。

圖4 殼體和玻璃體連接界面的能譜圖；插圖為試樣能譜分析的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

（1）960℃時玻璃與金屬的潤濕性能最好，封接件在置于鏈?zhǔn)綒夥諢Y(jié)爐中在960℃下高溫區(qū)保溫30min后可完成高質(zhì)量封接，封接高溫區(qū)域的氮氣通入量為45L/min。

（2）對封接后混合集成電路金屬外殼進(jìn)行性能檢測，其泄漏率≤1.0×10-9Pa?m3/s、絕緣電阻≥5.0×109Ω（DC：500V）、耐電壓≥5000V，封接拉力≥389N，各項物理性能指標(biāo)優(yōu)異，滿足使用需求。

（3）EDS結(jié)果顯示，封接后玻璃與金屬中的元素相互遷移，在封接界面處形成金屬鍵、離子共價鍵共存的混合區(qū)域，封接效果顯著提升。