章永飛 李 欣 梅云輝

（天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微電子器件被廣泛應(yīng)用于航空航天、油氣開采等重要領(lǐng)域。由于使用環(huán)境的特殊性，一旦環(huán)境中的氣體和水分進(jìn)入器件內(nèi)部，通常會(huì)使封裝體內(nèi)部芯片及電路受到外部環(huán)境的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備退化和過(guò)早失效［1］。為了確保微電子器件內(nèi)部保持恒定的環(huán)境，以獲得最佳的操作性能和更長(zhǎng)的使用壽命，需要對(duì)封裝的氣密性狀況嚴(yán)格把控，并通過(guò)氣密性封裝以保護(hù)電子電路免受應(yīng)用環(huán)境的惡劣影響［2］。

Au80Sn20合金焊料因其高熔點(diǎn)（280 ℃）、良好的機(jī)械性能和抗疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于電子器件的氣密封裝［3-4］。然而在氣密封裝之前，在管殼的內(nèi)部已經(jīng)完成好了芯片、元器件與基板的互連，Au80Sn20合金焊料封裝過(guò)程需要升溫至300 ℃以上［5］，高溫可能會(huì)造成芯片的破壞以及焊點(diǎn)的重熔［6］。相比之下，平行封焊和電阻焊技術(shù)可以通過(guò)熔化蓋板和管殼的接觸面再冷卻凝固形成密封接頭，可以實(shí)現(xiàn)連接接頭局部區(qū)域的加熱，而無(wú)需將整個(gè)器件加熱到高溫［2，7］。然而電阻焊在氣密封裝過(guò)程中會(huì)破壞器件表面保護(hù)鍍層，在潮濕或鹽霧環(huán)境中使用時(shí)密封接頭會(huì)受到腐蝕。銀焊膏作為一種新型的互連材料被廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域中［8-9］，它可以通過(guò)電流燒結(jié)的方式實(shí)現(xiàn)快速連接［10-12］，過(guò)程與電阻焊類似，可以實(shí)現(xiàn)接頭局部區(qū)域加熱，與電阻焊不同的是通電過(guò)程不會(huì)熔化母材，避免保護(hù)鍍層被破壞。

本文提出一種新型的氣密封裝方法，該方法基于銀焊膏電流燒結(jié)快速互連技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)氣密封裝方法的缺點(diǎn)，可以有效降低封裝過(guò)程對(duì)電子器件本身性能的不利影響，以滿足航天功率器件高可靠性要求。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文用于氣密封裝的航天功率分立器件如圖1所示，其中圖1（a）為蓋板，圖1（b）為管殼。管殼和蓋板均由Kovar合金制成，表面鍍有Ni/Au層，用來(lái)提高器件的抗腐蝕性能。本文所用銀焊膏由微小銀顆粒和有機(jī)物混合而成，有機(jī)物包含分散劑、黏合劑和稀釋劑，分散劑用來(lái)防止銀顆粒的聚合和團(tuán)聚，黏合劑用來(lái)確保聚合物穩(wěn)定，稀釋劑用來(lái)提高焊膏流動(dòng)性以便于印刷［13］。

1.2 試樣制備

密封樣品的制備過(guò)程包含以下幾個(gè)步驟：首先，將焊膏通過(guò)鋼網(wǎng)印刷到蓋板上，印刷圖案和尺寸依據(jù)管殼上面需要密封的區(qū)域；然后對(duì)焊膏進(jìn)行預(yù)干燥處理，防止在電極壓力下出現(xiàn)溢出的情況，在90 ℃下預(yù)干燥20 min；最后，使用本課題組自行設(shè)計(jì)的焊接機(jī)頭對(duì)銀焊膏進(jìn)行通電燒結(jié)，電極壓力設(shè)定為10 MPa。試樣的制備過(guò)程如圖2 所示。因?yàn)闇囟葘?duì)燒結(jié)銀接頭性能影響很大，因此用紅熱外相機(jī)記錄了電流燒結(jié)過(guò)程中焊膏層的溫度變化。

1.3 性能表征

利用Hitachi S4800掃描電子顯微鏡對(duì)電流燒結(jié)銀接頭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，分析通電過(guò)程銀焊膏的變化情況。為了評(píng)價(jià)接頭的連接質(zhì)量，采用XTZTECCondor150型剪切試驗(yàn)機(jī)，在4×10-4m·s-1的剪切速度下測(cè)定了接頭的剪切強(qiáng)度。為了評(píng)估密封電子組件的氣密性，根據(jù)GJB 548B—2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法，利用氦質(zhì)譜儀對(duì)密封電子組件進(jìn)行泄漏率的檢測(cè)與氟油粗檢。

2 結(jié)果與討論

2.1 通電過(guò)程接頭溫度變化

圖3顯示了在5.0 kA電流條件下通電2 500 ms燒結(jié)銀接頭溫度變化曲線，可以明顯地看出來(lái)，通電結(jié)束前曲線分為兩個(gè)階段：快速升溫階段和慢速升溫階段。在快速升溫階段，銀焊膏中含有大量的有機(jī)物，導(dǎo)致其電阻較高，通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱。而隨著溫度的不斷升高，焊膏內(nèi)的有機(jī)物會(huì)不斷地?zé)g和揮發(fā)，會(huì)造成銀焊膏電阻下降，電阻的下降造成了升溫速率的降低［11］。圖4為本文所用銀焊膏熱重分析（TGA）結(jié)果，當(dāng)溫度大于300 ℃時(shí)，焊膏的質(zhì)量不再減少，說(shuō)明焊膏中的有機(jī)物已經(jīng)揮發(fā)完畢。通電500 ms時(shí)接頭溫度達(dá)到了298.5 ℃，焊膏中的有機(jī)物基本揮發(fā)完畢，導(dǎo)致升溫速率出現(xiàn)了明顯的下降。

2.2 微觀分析

圖5 分別給出了通電時(shí)間為200、500、1 500、2 000 和2 500 ms 的燒結(jié)銀接頭的微觀圖片。通電200 ms 時(shí)，接頭溫度僅到達(dá)了170.2 ℃，根據(jù)圖4 中TGA 分析，此時(shí)銀焊膏內(nèi)的有機(jī)物未完全逸散，有機(jī)物會(huì)阻礙銀顆粒之間的聚集，從圖5（a）中可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)銀顆粒之間相互獨(dú)立，接頭中存在大量分散的銀顆粒，它們彼此之間沒(méi)有形成連接。通電500 ms，根據(jù)2.1 中的分析，有機(jī)物基本完全逸散，銀顆粒之間的接觸程度會(huì)增加，如圖5（b）所示，銀顆粒聚集程度增加，銀顆粒之間出現(xiàn)了頸連，但是仍然存在分散的銀顆粒。繼續(xù)增加通電時(shí)間，彼此接觸的銀顆粒會(huì)通過(guò)擴(kuò)散逐漸形成頸連接，并且接頭溫度也會(huì)繼續(xù)增加，溫度越高越有利于銀原子的擴(kuò)散，銀顆粒之間的充分?jǐn)U散有利于銀焊膏的充分燒結(jié)，從而促進(jìn)了燒結(jié)銀接頭的致密化［14］，越致密的燒結(jié)接頭越有利于提高接頭的性能。如圖5（c）、（d）和（e）所示的燒結(jié)接頭中獨(dú)立的銀顆粒逐漸消失，銀顆粒之間的連接程度逐漸增加，燒結(jié)銀接頭越來(lái)越致密。

除此之外，有研究表明燒結(jié)銀接頭的屈服強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而減?。?5］。Mei 等人［16］研究銀焊膏電流燒結(jié)接頭的致密化機(jī)制發(fā)現(xiàn)當(dāng)接頭的溫度超過(guò)400 ℃，燒結(jié)銀接頭在電極壓力的作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，大的或者連續(xù)的孔洞會(huì)被變形的顆粒分割、填充并被擠壓閉合，燒結(jié)銀接頭進(jìn)一步致密化。當(dāng)通電2 500 ms 時(shí)，接頭的溫度達(dá)到了403.4 ℃，在如此高的溫度下，燒結(jié)銀接頭會(huì)在10 MPa 的電極壓力下發(fā)生塑性變形，消除一些連續(xù)的孔隙，從而增加了銀顆粒之間的接觸面積，從而增強(qiáng)了致密化。圖5（e）所示通電燒結(jié)2 500 ms 的接頭中孔隙趨于閉合，形成了非常致密的接頭。致密程度越高越有利于提高接頭的剪切強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)提高密封性能也有好處。

此外，通電500 ms時(shí)接頭溫度達(dá)到了298.5 ℃，根據(jù)TGA曲線，此時(shí)焊膏中的有機(jī)物幾乎完全揮發(fā)。而根據(jù)微觀形貌分析，此時(shí)燒結(jié)銀接頭未致密化，接頭中有大量的孔隙，未形成密封接頭，揮發(fā)的有機(jī)物可以很容易地逸散至腔體外。有機(jī)物揮發(fā)完全后，燒結(jié)銀接頭才逐漸致密化形成密封接頭。因此，在形成致密的密封接頭之前，有機(jī)物可以很容易地逸散至腔體外，氣密封裝后樣品內(nèi)部幾乎無(wú)有機(jī)物殘留。

2.3 接頭強(qiáng)度

圖6給出了不同通電時(shí)間下燒結(jié)銀接頭的剪切強(qiáng)度，當(dāng)通電1 000 ms時(shí)接頭強(qiáng)度僅僅為11.1 MPa。隨著通電時(shí)間的增加，燒結(jié)銀接頭的剪切強(qiáng)度不斷增加。通電時(shí)間增加到1 500 ms，剪切強(qiáng)度增加到25.2 MPa。通電時(shí)間進(jìn)一步增加，通電2 000 ms和2 500 ms時(shí)，剪切強(qiáng)度分別為38.6 MPa和46.5 MPa。接頭溫度隨著通電時(shí)間的增加而不斷增加，溫度越高越有利于銀原子的擴(kuò)散［17］，從而越有利于銀焊膏的充分燒結(jié)。因此，燒結(jié)接頭會(huì)隨著通電時(shí)間的增加越來(lái)越致密，使得接頭的剪切強(qiáng)度也會(huì)隨著通電時(shí)間的增加而增大。剪切測(cè)試結(jié)果與微觀分析結(jié)果一致。

2.4 氣密性表征

氣密封裝最關(guān)鍵的是要保證接頭的密封性能，如果接頭中存在明顯的氣孔或裂紋等缺陷，那么無(wú)法保證封裝器件的氣密性。利用超聲掃描顯微鏡面掃描模式（C-scanning acoustic microscope，C-SAM）對(duì)燒結(jié)銀層進(jìn)行檢測(cè)，觀察是否有氣孔、裂紋等缺陷。5.0 kA 下通電2 500 ms的燒結(jié)銀接頭的C-SAM檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，其中外圍深色的環(huán)形區(qū)域表示燒結(jié)銀密封環(huán)，可以看出密封環(huán)顏色均勻一致，表明燒結(jié)銀層無(wú)明顯的裂紋和孔洞等缺陷。燒結(jié)銀層與蓋板和管殼的界面緊密結(jié)合，未發(fā)生分層。

為了定量地分析銀焊膏電流燒結(jié)氣密封裝器件的氣密性，利用氦質(zhì)譜儀對(duì)密封器件進(jìn)行了泄漏率的檢測(cè)，6個(gè)密封樣品的泄漏率值見表1。檢測(cè)的樣品中泄漏率最大值為3.6×10-3Pa·cm3·s-1，低于GJB 548B—2005規(guī)定的拒收泄漏率極限5.0×10-3Pa·cm3·s-1（拒收極限依據(jù)密封腔體體積）。并且6個(gè)樣品經(jīng)過(guò)氟油粗檢時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有連續(xù)的氣泡從腔體中冒出，表明粗檢合格。

表1 泄漏率檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Result of leak rate testing

3 結(jié)論

本文基于銀焊膏電流燒結(jié)快速互連技術(shù)對(duì)航天功率分立器件進(jìn)行了氣密封裝，分析了電流燒結(jié)過(guò)程中接頭溫度的變化情況，結(jié)合溫度變化分析了通電過(guò)程中銀焊膏燒結(jié)的過(guò)程以及接頭剪切強(qiáng)度的變化情況，最后對(duì)該氣密封裝方法的密封性能進(jìn)行了表征，得出以下結(jié)論：

（1）在通電燒結(jié)的過(guò)程中，焊膏層的升溫速率隨著有機(jī)物的排出而急劇下降。

（2）焊膏中的有機(jī)物排出以后，原本被有機(jī)物隔離的銀顆粒之間開始相互接觸，并逐漸形成頸連接。通電時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，溫度繼續(xù)上升，銀顆粒之間的連接越來(lái)越明顯，接頭逐漸致密化。

（3）與燒結(jié)銀接頭微觀結(jié)構(gòu)變化情況一致，接頭的剪切強(qiáng)度隨著燒結(jié)銀致密程度的提高而增加。

（4）基于銀焊膏電流燒結(jié)氣密封裝的航天功率分立器件的氣密性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。