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1、第 2 8 卷 第 1 期 2 0 1 0年3月 0 集：成：电 路：通：讯 J I C HENGDI ANLU T ONGXUN Vo I|28 No 1 Ma Y 2 01 0 A u S n焊 料 低 温 真 空 封 装 工 艺研 究 李丙旺(中国兵器工业第 2 1 4研究所 蚌埠2 3 3 0 4 2)摘要在介绍半导体金锡(A u S n)焊料低 温真 空封装工艺的基础上，重点对 A u S n焊料、真 空度、炉温曲线设置等工艺技术方面进行 了深入研讨。并就真 空、炉温等方面作 了相应的工艺实验，给 出了最 优化工艺条件解决方案。关键词A u S n焊料真空 炉温曲线 1 引 言 封装
2、可以简 明地 定义为对 电子器件进 行互 连、加电、保护和散热I 4 。气密封装通常采用 由 金属、陶瓷、玻璃等材料制成 的带腔体的外壳，外 壳在被封盖后能使安装于其 内的电子元器件与外 界环境相隔离，阻止有害液体、固体特别是气体污 染物的侵蚀或渗透人 内，保证产品的长期可靠性。就封装 的质量和密封可靠性来说，采用金锡(A u S n)低熔点合金焊料 进行高可靠 的集成 电路 密封是一种重要的封装方法，它在承受机械冲击、热冲击、化学腐蚀等机械和气候环境方面，有着比 其他金属合金焊料更 大的优越性。因此，金锡焊 料的低温焊接封装是为满足一些军用标准 的高可 靠产品要求所必须采用 的封装形式。半导
3、体 A u S n焊料低温真空封装工艺就是在 真空环境下，将键合 好半导体芯 片通过 A u S n焊 料进行低温气密性封装，其主要工艺影响因素是 A u S n焊料、炉温、真空等。本文主要介绍了 A u S n焊料 及其对封装的影 响，并就真空、炉温等工艺条件进行 了重点研讨，探索最优化工艺条件方案。2 A u S n 焊料及其焊接封装的影响因素 金属气密封装 由于在最严酷使用条件下具有 杰出的可靠 性而被广泛用 于特殊用途。锡焊，是 金属气密封装的一种重要形式，又称为钎焊、共 晶 焊、焊料焊等，是在壳体和盖板的密封 区域之间放 人含锡的合金预制片，加热到熔点温度后形成共 熔 共晶，将壳体和
4、盖板密封焊接在一起。封装用 锡焊焊料一般预先制作成合金焊片，主要有两种 类型：一种为低熔点的软焊料，最常用的是熔点为 1 8 3 C的 S n 6 3 P b 3 7合金焊片；另一种为较 高熔点 的硬焊料，最常用 的是熔点为 2 8 0 c【=的 A u 8 0 S n 2 0 合金焊片。A u S n焊料因其在焊接强度、耐腐蚀性和抗氧 化等方面都具有较好 的优越性，而且 A u S n焊料 在封装焊接中无需助焊剂，避免了因使用 助焊剂 对半导体 芯 片形成 的污染 和腐蚀。因此，A u S n (8 0：2 0)焊料是应用最为广泛的合金焊料 之一。A u S n合金焊料具有合适 的润湿性和接
5、触角，其铺 展百分数在 7 O一 8 O之间，封装焊接后 不容易“爬 盖”，焊 接强 度高，气密 性漏气 速率 可 小于 1 l 0一P a c m s，其抗氧化性极 强，焊接后的焊缝 不必再涂敷有机树脂进行保护。它不仅适合于半 导体集成电路的封装，也可用于混合集成电路的 封装，其焊接成 品率可达 9 8 以上，是 一种具有 优越性能的高可靠焊料。A u S n焊料 的润湿性是焊接质量的一个重要 因素 J，通常是通过 4 定其接触角、润湿速率或 铺展性来衡量其 可焊性。接触角越小、铺展性越 高，则说 明焊料 流散性 能很好，能保证其 焊接质 1 6 集 成电路 通讯 第 2 8 卷 第l 期
6、量。但是不同的焊接外壳金属上框和盖板的镀金 层厚度，以及焊料合金成分的变化，都会对焊接质 量产生一定影响，具体影响因素见表 1。在 A u S n系统(图 1)中共 晶体的富金-N有非 常陡的 液相曲线斜度，在高于共晶组成处，金含量仅增加 3 5 就可使液相温度从 2 8 0 c lC 提高到 4 5 0 C 以上，进而引起许 多气密性失效，金镀层越厚，情 况越严重。所 以金镀层在保持足够浸润与防护性 的前提下，厚度应尽可能最小。(I)焊接气氛对焊接质量的影 响。所谓焊接 气氛就是指在焊接时采用何种气体对焊接表面进 行保护，不致因表面氧化而影响其焊接。同时，使 用焊料焊实现集成 电路的封装 时
7、，为了防止芯片 受到污染，不允许使用助焊剂，因此为使低熔点合 金焊料保持其表面洁净而不受氧化，焊接气氛就 显得尤为重要。一般采用真空、氮气或氮气和氢 气的混合气体作为保护气体。利用真空炉进行集 成电路封装时，要求其真空度优于 1 3 P a；而采用 链式封装炉时，一般采用 比例为 9 0：1 0的氢 一氮 混合气体。(2)镀金层对封装焊接质量的影响。当使用 低熔点合金焊料时，要求待焊外壳金属上框 和盖 板采用镀金层进行表面处理，从而为所使用焊料 与金形成共 晶体保证焊接质量。焊料的浸润性与 镀金层有着很大关 系，镀金层的质量和厚度都会 对焊料的浸润性产生影响，实践证明，镀金层厚度 为0 8 1
8、 5 la,m时对焊料封装焊接最为有利。(3)焊料成分对封装焊接质量 的影响。一定 l 2O O l 0 00 ，、8 0 0 p V 60 0 蛹4 00 2 O0 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 金的重量百分比()图 1 A u S n系二元合金相图 表 1 影响真 空烧结炉钎焊密封的 因素 分类 参 数 过 度 不 足 影响程度 盖板和壳体镀金 金熔解使熔融温度上升 浸润困难 d j 冶 焊料预制片体积 对周围区域进行不必要浸润 很难形成完全密封 高 金 盖板和壳体清洁度 越清洁越好，但过分清洗会产生腐蚀 阻碍焊料浸润 由 学 盖板和壳体的平整度 越平整越好 不易
9、密封 高 封盖前管壳预热 因基体金属扩散引起弱浸润(无)高 机 夹具压力 容易使盖板变形 不易定位和焊接 高 盖板的硬度 不平整很难补偿 容易变形 由 械 预制片的粘附性 定位性好，易操作 不易对准定位 中 真 峰值温度 焊料易爬盖，甚至损坏芯片 焊料流动性不好 高 空 真空度 焊接封装效率低，不易量产 易氧化，浸润性差 炉 高 比例的含量成分有其一定 的熔点，当焊料成分发 生变化时，其熔点也随之而变动 从 而也影响了焊 料的浸润性，对焊接质量不利。因此 当使用某低 熔点合金焊料时，首先要保证焊料的成分必须稳 定，并严 格 控 制其 他 金 属 元素 和杂质 的浸 入。A u S n合金所 用
10、原 材料 系 由纯度 分别 为：A u 9 9 第 2 8 卷 第1 期 篥成 路通讯 l 7 9 5 和 S n 9 9 9 9 所 组成，其组成 比例：S n：A u=2 0：8 0 考虑到焊接时外壳金属上框和盖板上的镀 金层有一部分将要参与共 同形成共 晶体，所 以焊 料实 际配 方 中 A u的含 量为 7 8 ，S n的含量 为 2 2 ，A u S n系二元合金，其相图如图 1 所示。3 A u S n焊料焊接封装温度 A u S n(8 0：2 0)合金焊料在焊接时所施加的温 度应使焊料能够有足够 的流动性 和润湿性，这个 温度大约高 出焊料熔 点 5 0 C(约 3 3 0 C
11、)。在焊 接封装过程中，基于 A u S n合金焊料 的共 晶成分，很小的过热度就可以使合金溶化并浸润，且合金 的凝固过程也进行得很快。因此，A u S n合金焊料 的使用大大缩短 了封装焊接周期。A u S n焊料焊接封装的温度是影响焊接封装质 量最重要的因素之一，图2是 A u S n 焊料的真空焊接 封装温度曲线图，由图可见，当加热初期时，由于真 空度低，加热速率快，所 以升温速率快，随着真空度 和炉温的升高，升温速率也随着放慢，而在降温阶 段，由于前期是真空状态下降温，所 以降温速率较 慢，当通人氮气或大气后，其降温速率明显加快。一般卧式真空炉的真空焊接封装工艺从加热底 图 2 A u
12、 S n焊料焊接真空封装 温度 曲线图 开始到加热结束大约为 7 5分钟到 9分钟之间，的情况做了分组正交实验，并就同一种底座、焊料 具体时间主要取决于电路及焊料环大小，当然，不 环和盖板在焊接封装后对其漏气率和焊料爬盖率 同类型的设备会有略微差异。我们分别对真空焊 进行了统计，具体结果如表 2。接封装温度 3 2 5 C一 3 3 5 C、焊接时间 61 0分钟 从表 2中的数据可以看出，对于此种 表 2 A u S n焊料 真空焊接封装温度、时 间正交实验 结果 漏度 3 2 5 3 2 8 3 3 0 3 3 2 3 3 5 -L(漏 气 率 爬 盖 率)(漏 气 率 爬 盖 率)(漏
13、气 率 爬 盖 率)(漏 气 率 爬 盖 率)(漏 气 辛 爬 盖 率)时间 6分钟()6 3 6 o 3 3 6 3 0 6 2 3 5 1 0 1 3 3 1 6 9 6 5 9 7分钟()5 1 3 0 3 2 9 6 1 0 l 1 6 1 6 5 3 2 3 8 5 1 1 6 8分钟()4 3 6 0 4 l 8 9 1 6 4 5 2 3 3 6 3 O 7 3 1 6 9 9分钟()3 9 2 O 5 1 O 6 2 O 4 ，5 6 3 5 6 5 8 3 2 6 6 l O分 钟()3 8 9 0 5 9 5 2 3 5 3 9 9 6 3 3 1 3 6 l 3 5 4
14、5 6 座、焊料环和盖板的焊接封装的较佳工艺条件是：加热温度为 3 3 0 q C，加热时间为 8分钟 9分钟；或加热温度为 3 3 2 ，加热 时间为 7分钟 8分 钟。在这两种条件下，焊接封装 的漏气率和爬盖 率最小，也就是说其成品率最高，焊接封装效果也 最好。通过对 6批(5 6 0 0只)焊接封装产 品的跟 踪检测也验证 了这一点。4 A u S n焊料焊接封装真 空度 A u S n焊料真空焊接封装的器件在使用过 程 中，气体 的泄漏率 与器件 内外 的压力差成正 比。真空封装的器件内外压 力差远大于气密封装的内 1 8 纂感 路：通讯 第 2 8 卷 第1 期 外压力差，故真空封装
15、对泄漏率要求比气密封装 要高很多，而且真空封装对材料 的使用 和处理都 有很高的要求。首先，壳体材料是影响焊接封装真空度的一 个重要因素 J。由于材料具有吸气特性，在真空 焊接封装过程中的高温下吸附的气体将会释放，将对真空封装后器件腔体内的真空度有影响。如 图 3所示为真空封装壳体在真空封装前烘烤与未 l d _ 辱 _ 。z _ 蠢 _ 蕾 l 2 l 0 0 _ l 0。!I 。g 8 ；T I,L-l 詈 e 一 _l。0 1 4 _ 、融 一 J 鼍 t 2 0；0 0。0 0：孽 i|一。0。誊 F 。U i 2 3 4 5 6 7 8 9 l m l 1 盈m 4 1 日日 7 1
16、 8 真 空封 装 器件 序 列号 图3 真空封装前外壳烘烤和未烘烤在真空 封装后腔体 内真空度对b 曲线 图 子材料由于空隙较多，比较容易吸附气体，在真空 封装壳体内，由于相对大气环境，里面吸附 的气体 就很容易释放出来，破坏真空封装器件腔体内的真 空度。如图4所示，有贴片胶器件真空封装后 的器 件腔体内部的真空度从 l O P a到 6 0 P a不等，真空 封装后腔体内的压力比成品率实验时要高很多，而 且真空封装后 的腔内压力一致性也较差。要解决 贴片胶的问题，在进一步的研究中，必须采用吸气 剂来提高器件真空封装后腔体内的真空度。烘烤的对 比曲线。由图 3中可以看到未烘烤的壳 体，真空封
17、装后器件腔体 内的平均真空度在 9 1 O P a这样一个水平，而烘烤过 6 h的器件真空封 装后腔体内的平均真空度在 5 P a 左右。可见真 空封装壳体在封装前对其进行烘烤可以提高真空 封装后器件腔体 内的平均真空度。其次，贴片胶是影 响焊接封装真空度的另一 个重要影响因素 J。贴片胶是高分子材料，高分 图 4 粘片胶 未烘烤对真 空封装后 器 件腔体 内真空度的影响 为了较好地体现出实验 的可 比性，实验采取 了分别在一种较差的真空度(8 P a)下和一种较好 的真空度(5 X 1 0 P a)下进行 A u S n焊料 的焊接 封装。实验结果见 图 5。由 图可 以看 出，在 8 P
18、a 下进行焊接 的 A u S n焊料 明显严 重氧化发黑，这 将严重影响焊接封装质量；而在 51 0 P a下进 行焊接的 A u S n焊料除 了由于表面杂质而存在个 别缺陷外几乎没有氧化，焊接封装质量较好，成品 率较高。(a)真空度 S P a (b)真空度 51 0 P a 图 5 不 同真空度下焊接 A u S n焊料表面状况 第 2 8 卷 第1 期 集成 跨通讯 6 结束语 温度()3 50 3 00 25 0 20 0 l 5O l 00 5 0 O 3 3O I ，1 l c u u m ，V a C U U m(5 1(P a)I I ，_ I N2 1 3 4 7 1 O
19、 1 3 l 4 2 0 2 5 时 问(mi n)图 6 优化工艺真空封装温度理论 曲线 图 在半导体 A u S n焊料低温真空封装工艺 中，A u S n焊料本身的组分 比及其浸润性等是影响其 焊接质量的重要因素，而在整个焊接封装过程 中 炉温和真空则是保证焊接气密性和质量的重要条 件。根据上述实验分析，最优化工艺方案是如图 6所示的工艺方案。参考文献 1 何 中伟，李寿胜 MC MC金属 气密封装 技术f J J 电子与封装，2 0 0 6，9(9)：1 6 2 杨邦朝，张经国 多芯片组件(MC M)技术 及其应用 M 成都：电子科技大学出版社，2 0 0 1 3 张蜀平，郑宏宇 电子
20、封装技 术的新进展 J 电子与封装，2 0 0 4，4(1)：3 9 4 R a o R T u mma l a，E u g e n e J R y ma s z e ws k i，A l a n G K l o p f e n s t e i n，等 微电子封装手册 M 第 二版 中国电子学会 电子封装专业委员会组织译 北京：电子工 业 出版 社，2 0 0 1 5 赵保经 集成 电路封装 M 北京：国防工 业 出版社，1 9 9 3 6 林 栋，甘志银，汪 学方，等 基 于熔焊 的 ME MS真空封装 J 电子 工业专用设备，2 0 0 6，1 0：495 2 3一D F l a s h技
21、 术取 得 突破 3 一 D F l a s h创新公司 S c h i t r o n C o r p o r a t i o n与专门提供化学机械研磨(C M P)设备及代 工服务的领先供货商 E n t r e p i x合作，发展使用现有的衬料，工具和制造方法制造 3一D F l a s h，从而币 0 用简单直接的方式扩大产量。S c h i t r o n 3一 D F l a s h制造方式的最关键制程步 骤是 C M P的达成，该公司的联合开发成景已制造迄今为止最小的硅基薄膜晶体管。晶体管结构和低温度预算制程步骤的变革促使单片 3一 D F l a s h 可逐渐在大容量存储 用途取代传统的 N A N D F l a s h M e m o r y，如 M P 3播放器、数字摄影机和固态硬盘 集成电路通讯 编辑部摘