顏炎洪，徐 衡，王英華，陳 旭，李守委，劉立恩

（1.中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072;2.無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

氣密性封裝中的孔洞是一種較為常見的封裝質(zhì)量隱患，它的存在會使產(chǎn)品的密封強度和氣密性降低，隨著服役時間的延長，極易誘發(fā)電子元器件多種致命的失效模式。近年來，隨著X射線（X-ray）儀設(shè)備的普及和半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范的推廣，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶都對氣密性封裝孔洞的控制提出了明確的要求。對于高可靠電子元器件等產(chǎn)品的氣密性封裝[1]，業(yè)界主要關(guān)注產(chǎn)品的氣密性、內(nèi)部氣氛、焊接強度、封裝孔洞等方面。隨著氣密性封裝技術(shù)的不斷提升和設(shè)備能力的不斷進(jìn)步，電子元器件產(chǎn)品的成品率得到了很大的提升。但是，在氣密性封裝的孔洞控制方面還未形成明確有效的控制方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Au80Sn20焊料是常見的高可靠氣密性封裝無鉛焊料[2]。當(dāng)Au和Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%和20%時，可在較低的溫度（278℃）下完成共晶反應(yīng)[3-4]。由于Au80Sn20焊料具有焊接溫度低、連接強度高、耐腐蝕性強以及穩(wěn)定性好等特點[5-6]，所以采用Au80Sn20焊料的氣密性封裝成為高可靠電子元器件產(chǎn)品的主流密封技術(shù)之一[7-8]。在實際的Au80Sn20密封過程中，蓋板和焊環(huán)的表面均有鎳/金鍍層。鎳/金鍍層和Au80Sn20焊料參與反應(yīng)，在封裝過程中熔入焊料導(dǎo)致金錫比例錯配，由于溫度、壓力等重要工藝參數(shù)的影響獲得多種焊接狀態(tài)，導(dǎo)致焊縫強度下降，可靠性下降[9]。

本文以厚度為50μm的Au80Sn20焊料為研究對象，通過X-ray表征研究了溫度和壓力對焊縫孔洞的影響。通過SEM掃描焊接樣品的橫截面，觀察界面化合物的狀態(tài)和分布，得到界面形貌隨溫度和壓力的變化趨勢，并提出了有效的控制方法。利用能譜分析儀分析了焊接界面各層的元素組成，豐富了氣密性封裝孔洞的形成機理，為高可靠氣密性封裝提供了理論依據(jù)。

2 試驗材料及方法

圖1所示為合金熔封陶瓷外殼與蓋板模型。外殼基材為Al2O3陶瓷，焊環(huán)表面成分為金鎳鍍層，首先鍍1.3~8.9μm的鎳，再鍍1μm的金。焊料成分為Au80Sn20。蓋板以可伐合金為基底，表面交替鍍2層金和2層鎳，鍍金層厚度為0.6μm，鍍鎳層厚度為5μm。

圖1 外殼、焊料、蓋板的結(jié)構(gòu)和組成

根據(jù)已有文獻(xiàn)報道，合金熔封產(chǎn)品的孔洞變化主要來自于焊接壓力、溫度和時間。溫度過高和焊接時間過長均會引起IMC層生長過厚，并且焊接溫度過高易造成熔融焊料氧化。同時，當(dāng)焊接壓力在5~20 N區(qū)間內(nèi)，孔洞率與焊接壓力成反比。焊接溫度過低無法完全去除氧化膜，進(jìn)而將引起潤濕不良，易出現(xiàn)斷點。焊接時間過短會引起冶金結(jié)合不良，影響焊接強度。Au80Sn20焊料片的熔點為278℃，選擇焊接溫度時通常需要高于焊料片熔點溫度。合金熔封時，管殼腔體內(nèi)的裝片膠和芯片表面涂層等存在氣體釋放現(xiàn)象。為保證氣體在熔融焊料中充分釋放，在Au80Sn20焊料片技術(shù)資料推薦工藝時間基礎(chǔ)上增加了焊接時間（推薦焊接時間為2~5 min），工藝驗證選擇焊接時間為（5±1）min，具體焊接溫度曲線如圖2所示。

圖2 合金熔封樣品燒結(jié)溫度曲線

基于表1所設(shè)計的參數(shù)，使用鏈?zhǔn)綘t在氮氣氣氛下進(jìn)行分組實驗。

表1 實驗參數(shù)（1#~200#樣品）

3 不同參數(shù)對熔封孔洞的影響

根據(jù)GJB548B-2005方法2012.1規(guī)定，電路完成封帽焊接后，焊接最窄封接面寬度應(yīng)大于設(shè)計值的75%。封帽完成后，采用X射線儀對焊縫進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在焊接壓力相同的情況下，隨著焊接溫度的升高，焊縫最小焊接面積呈現(xiàn)降低趨勢。封裝樣品合格率如圖3所示，在焊接壓力相同的情況下，溫度的升高降低了樣品的封裝合格率。不論是壓力為18 N還是9 N，樣品的合格率都在溫度為290℃時最高。其中壓力為9 N時，樣品合格率為84%；壓力為18 N時，合格率為100%。在溫度相同的情況下，壓力越大樣品的合格率越高。在290~310℃，焊接壓力為18 N時，密封合格率要比9 N時高出約16%。

圖3 封裝樣品合格率

圖4（a）~（d）所示為壓力條件均為9 N、不同溫度條件下熔封樣品的X-ray結(jié)果，焊接溫度分別為290℃、300℃、310℃、320℃；圖4（e）~（h）所示為在壓力均為18 N、不同溫度條件下熔封樣品的X-ray結(jié)果，焊接溫度分別為290℃、300℃、310℃、320℃；以圖4（a）~（d）為一組觀察對象，圖4（e）~（h）為另一組觀察對象，可以發(fā)現(xiàn)在焊接壓力相同的情況下，隨著焊接溫度的升高，孔洞逐漸增加，部分孔隙呈連續(xù)氣泡狀，分布于焊環(huán)內(nèi)側(cè)附近區(qū)域，且隨著溫度的升高，逐漸出現(xiàn)帶狀孔隙，寬度增大。特別是當(dāng)峰值溫度超過310℃時，出現(xiàn)帶狀孔隙，隨著溫度的升高，在焊環(huán)外側(cè)附近區(qū)域的孔隙逐漸向空腔內(nèi)側(cè)擴散。當(dāng)峰值溫度達(dá)320℃時孔洞變得非常明顯，幾乎貫穿整個焊接區(qū)域。

圖4 不同焊接峰值溫度與壓力下樣品的X-ray結(jié)果

通過對比圖4（a）與（e）、（b）與（f）、（c）與（g）、（d）與（h），可以發(fā)現(xiàn)在焊接溫度相同的情況下，隨著焊接壓力的增加，帶狀孔隙明顯變少，氣泡狀孔隙轉(zhuǎn)變成帶狀孔隙。

金錫二元相圖如圖5所示，當(dāng)溫度高于278℃時，Au80Sn20焊料被迅速熔化。溫度略低于278℃，發(fā)生共晶反應(yīng)：

圖5 金錫二元相圖[10]

發(fā)生共晶反應(yīng)后形成不穩(wěn)定的δ-AuSn和ζ相。ζ相的Sn摩爾分?jǐn)?shù)為9.1%~17.6%。溫度略低于190℃，發(fā)生包析反應(yīng)：

室溫下Au80Sn20焊料由δ-AuSn和ζ-Au5Sn兩種脆性相組成[11-12]。

熔封樣品通過樹脂固化后對外殼、焊料和蓋板形成的界面進(jìn)行線掃，1#樣品結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?，蓋板與外殼最外層的鍍金層消失了，而鎳層沒有被完全消耗?？梢酝茢?，Au層的反應(yīng)速度大于Ni層。從焊料兩側(cè)到焊料的中心區(qū)域，Ni元素含量逐漸降低，Au元素在焊料中間區(qū)域分布相對均勻，Sn元素在蓋板與外殼附近富集。元素的分布表示在反應(yīng)過程中，焊料與鍍層中的鎳發(fā)生界面反應(yīng)，最后在鍍層附近形成IMC層。能譜分析表明，IMC為金、錫、鎳的三元化合物，組成為(Ni、Au)3Sn2。IMC層中Au元素所占比例在外殼側(cè)附近最高，Ni元素所占比例較低。隨著釬料面積的擴大，Ni元素含量逐漸降低，Au元素含量逐漸增加，而Sn元素在IMC層中含量相對均勻。同時，在蓋板與焊料的接觸面上也可以觀察到類似的現(xiàn)象。焊料中間區(qū)域主要有Au和Sn兩種元素，結(jié)合Au和Sn的二元相圖和成分比例可知這兩種相為ζ-Au5Sn和δ-AuSn[11-14]。

圖6 1#樣品線掃結(jié)果

利用SEM對焊縫界面形貌進(jìn)行觀察，不同焊接峰值溫度下合格樣品孔隙狀態(tài)如圖7所示。焊縫出現(xiàn)了釬焊典型的氣孔尺寸、形貌與分布特點。實驗時只改變焊接溫度，發(fā)現(xiàn)溫度越高，產(chǎn)生的孔洞越多。鍍層和封裝材料高溫排氣是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一。在封帽過程中，當(dāng)溫度到達(dá)一定階段后，鍍層和封裝材料在高溫條件下產(chǎn)生高溫排氣現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接熔池中出現(xiàn)孔洞，并且隨著加熱溫度的升高、加熱時間的延長，高溫排氣現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致孔洞增加。封接區(qū)的平整度過低也是導(dǎo)致孔洞增加的原因。焊料在焊接過程中流淌不均勻?qū)е虏糠謿怏w未能排出熔池，在熔池內(nèi)部形成微小的氣泡。高溫環(huán)境下，焊料的持續(xù)流動推動微小的氣泡聚集，隨著時間的推移小氣泡聚集成大氣泡。當(dāng)溫度下降時，流動的熔池開始凝固，未能排出的大氣泡形成氣孔。這類氣孔形狀不規(guī)則，并且周圍會殘留一些小尺寸氣泡。

圖7 不同焊接峰值溫度下合格樣品孔隙狀態(tài)

圖8為在290℃、300℃、310℃和320℃溫度下且壓力為9 N與18 N時的焊縫形貌。從圖中可以看出，溫度和壓力對焊接界面的形貌都有重要的影響。不同溫度與壓力下的焊縫厚度如圖9所示，當(dāng)焊接壓力為9 N時，焊縫厚度從290℃時的23.28μm減少為320℃的17.19μm，在310℃時更是減少為14.74μm。當(dāng)焊接壓力為18 N時，焊縫厚度從290℃時的15.63μm減少為320℃的12.06μm，在310℃時更是減少為11.83μm?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高和壓力的增加，焊縫厚度有變窄的趨勢（9 N，320℃除外）。基于以上研究，可以得出當(dāng)焊接溫度為290℃、焊接壓力為18 N時可以有效抑制孔洞的生成，提高焊接質(zhì)量。

圖8 不同溫度與壓力下的焊縫形貌

圖9 不同溫度與壓力下的焊縫厚度

4 結(jié)論

本文對Au80Sn20焊料的氣密性封裝進(jìn)行研究。通過微觀組織表征與X-ray測試，觀察界面化合物的狀態(tài)和分布，研究了溫度和壓力對Au80Sn20焊料氣密性封裝孔洞的影響。溫度對Au80Sn20焊料釬焊界面的形貌和冶金成分有很大的影響；隨著焊接峰值溫度的升高，焊料中的帶狀孔隙呈增大趨勢，通過選擇較低的焊接溫度，可以有效控制焊縫界面化合物的厚度和孔洞，更有利于保證密封可靠性。在峰值溫度相同的情況下，隨著壓力的增加，焊縫中的孔洞降低。在18 N的壓力下，帶狀孔隙消失，壓力對氣泡狀孔隙沒有顯著影響。此外，由于溫度與壓力的增大，焊縫的厚度逐漸變小。本文的研究成果有助于提高電子元器件封裝質(zhì)量，在行業(yè)內(nèi)具有一定的指導(dǎo)意義。