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1、半导体 AuSn 焊料低温真空封装工艺争论李丙旺;徐春叶【摘 要】介绍了半导体金锡(AuSn)焊料焊接封装的影响因素:焊接气氛、镀金层、焊料,在低温真空焊接封装的根底上,重点探讨了 AuSn 焊料真空钎焊封装的影响因素、AuSn 焊料本身的组分比及其浸润性等对焊接封装的影响、AuSn 焊料真空焊接封装炉温曲线设置及焊接温度和时间的正交试验、AuSn 焊料真空焊接封装中真空度的影响因素、真空度对焊接质量的影响、AuSn 焊料真空焊接封装中复原气体的作用及有无通入复原气体的焊接封装比照试验等,并通过真空,炉温顺复原气体等方面所作的相应工艺试验,对相关工艺技术问题进展了深入争论.基于大量的 AuSn
2、 焊料真空焊接封装试验及理论分析,给出了最优化工艺条件解决方案.【期刊名称】电子与封装【年(卷),期】2023(011)002【总页数】5 页(P4-8)【关键词】AuSn 焊料;真空;复原气体【作 者】李丙旺;徐春叶【作者单位】华东光电集成器件争论所,安徽蚌埠,233042;华东光电集成器件争论所,安徽蚌埠,233042【正文语种】中 文【中图分类】TN305.94封装可以简明地定义为对电子器件进展互连、加电、保护和散热14。气密封装通常承受由金属、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，阻挡有害液体、固体特别是气体污染物的侵蚀或渗透入内
3、，保证产品的长期牢靠性。就封装的质量和密封牢靠性来说，承受金锡AuSn低熔点合金焊料进展高牢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牢靠产品要求所必需承受的封装形式。 半导体 AuSn 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 AuSn 焊料进展低温气密性封装，其主要工艺影响因素是 AuSn 焊料、炉温、真空以及为复原镀金层和 AuSn 焊料外表氧化层的复原气体等。本文主要介绍了 AuSn 焊料及其对封装的影响，并就真空、炉温顺复原气
4、体的通入等工艺条件进展了重点研讨，探究最优化工艺条件方案。金属气密封装由于在最严酷使用条件下具有出色的牢靠性而被广泛用于特别用途。 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入含锡的合金预制片，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 183的 Sn63Pb37 合金焊片；另一种为较高熔点的硬焊料，最常用的是熔点为 280的 Au80Sn20 合金焊片4。AuSn 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
5、且AuSn 焊料在封装焊接中无需助焊剂，避开了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀。因此，AuSn8020焊料是应用最为广泛的合金焊料之一。AuSn 合金焊料具有适宜的润湿性和接触角，其铺展百分数在 70%80%之间，封装焊接后不简洁“爬盖”，焊接强度高，气密性漏气速率可小于 110-3Pacm3/s，其抗氧化性极强，焊接后的焊缝不必再涂敷有机树脂进展保护。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98%以上， 是一种具有优越性能的高牢靠焊料。AuSn 焊料的润湿性是焊接质量的一个重要因素1,5，通常是通过测定其接触角、润湿速率或铺展性来衡量其可焊性。接
6、触角越小、铺展性越高，则说明焊料流散性能很好，能保证其焊接质量。但是不同的焊接外壳金属上框、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肯定影响，具体影响因素见表 1。在Au-Sn 系统图 1中共晶体的富金一侧有格外陡的液相曲线斜度，在高于共晶组成处，金含量仅增加 3%5%就可使液相温度从 280提高到 450以上，进而引起很多气密性失效，金镀层越厚，状况越严峻。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。（1） 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承受何种气体对焊接外表进展保护，不致因外表氧化而影响其焊接。同时，使用焊料焊实现集成电路的封装时，为
7、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外表干净而不受氧化，焊接气氛就显得尤为重要。一般承受真空、氮气或氮气和氢气的混合气体作为保护气体。利用真空炉进展集成电路封装时，要求其真空度优于 1.3Pa；而承受链式封装炉时，一般承受比例为 9010 的氢-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承受镀金层进展外表处理，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 0.8m1.5m 时对焊料封装焊接最为有利。（3） 焊
8、料成分对封装焊接质量的影响。肯定比例的含量成分有其肯定的熔点，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需稳定，并严格掌握其他金属元素和杂质的浸入。AuSn 合金所用原材料系由纯度分别为： Au99.95%和 Sn99.99%所组成，其组成比例：SnAu=2080。考虑到焊接时外壳金属上框和盖板上的镀金层有一局部将要参与共同形成共晶体，所以焊料实际配方中 Au 的含量为 78%，Sn 的含量为 22%，AuSn 系二元合金，其相图如图 1 所示。 AuSn8020合金焊料在焊接时所施加的温度应使焊料能
9、够有足够的流淌性和润湿性，这个温度大约高出焊料熔点 50约 330。在焊接封装过程中，基于 AuSn 合金焊料的共晶成分，很小的过热度就可以使合金熔化并浸润，且合金的凝固过程也进展得很快。因此，AuSn 合金焊料的使用大大缩短了封装焊接周期。AuSn 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 AuSn焊料的真空焊接封装温度曲线图，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上升，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，当通入氮气或大气后，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开头到
10、加热完毕大约为 7.5min9min 之间，具体时间主要取决于电路及焊料环大小，不同类型的设备会有略微差异。我们分别对真空焊接封装温度 325335、焊接时间 6min10min 的状况做了分组正交试验，并就同一种底座、焊料环和盖板在焊接封装后对其漏气率和焊料爬盖率进展了统计，具体结果如表 2。从表 2 中的数据可以看出，对于此种底座、焊料环和盖板的焊接封装的较佳工艺条件是：加热温度为 330，加热时间为 8min9min；或加热温度为 332， 加热时间为 7min8min。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5 600 只焊
11、接封装产品的跟踪检测也验证了这一点。AuSn 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外压力差，故真空封装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6。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烘烤的比照曲线。由图 3 中可以看到未烘烤的壳体，真空封装后器件腔体内的平均真空度在 9Pa10 Pa 这样一个水平，而烘烤过 6
12、 h 的器件真空封装后腔体内的平均真空度在 5 Pa 左右。可见真空封装壳体在封装前对其进展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6。贴片胶是高分子材料，高分子材料由于空隙较多，比较简洁吸附气体，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简洁释放出来，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 10 Pa 到60 Pa 不等，真空封装后腔体内的压力比成品率试验时要高很多，而且真空封装后的腔内压力全都性也较差。要解决贴片胶的问题，在进一步的争论中，必需承受吸气剂来提高器件真
13、空封装后腔体内的真空度。为了较好地表达出试验的可比性，试验实行了分别在一种较差的真空度810- 1Pa下和一种较好的真空度510-3Pa下进展 AuSn 焊料的焊接封装。试验结果见图 5。由图 5 可以看出，在 810-1Pa 下进展焊接的 AuSn 焊料明显严峻氧化发黑，这将严峻影响焊接封装质量；而在 510-3Pa 下进展焊接的 AuSn 焊料除了由于外表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。为了提高底座、盖板和 AuSn 焊料环的干净度和浸润性，在半导体封装电路进入真空炉以后，在焊接封装以前，通入适量的复原性气体，对其外表进展复原处理， 用于除去外表氧化层和氧化
14、物杂质等。为了了解通入复原气体HCOOH对 AuSn 焊料焊机封装的影响，我们按图 6 的工艺方案分别进展了两组试验：一组是在没有通入复原气体状况下进展的焊接封装； 另一组则是在通入复原气体HCOOH下进展的焊接封装，两组的试验结果如图7。从图 7 我们可以看出，通入复原气体HCOOH进展复原后进展焊接的 AuSn 焊料外表氧化状况和缺陷都比没有通入复原气体进展焊接封装的 AuSn 焊料外表状况要好，其外表浸润性也比没有通入复原气体的好。在半导体 AuSn 焊料低温真空封装工艺中，AuSn 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，真空度是保证其焊接气氛的重要指标，而在整个焊接封
15、装过程中炉温则是保证焊接气密性和质量的重要条件，对于复原气体HCOOH的通入则主要是削减氧化、提高焊接封装质量。依据上述试验分析， 最优化工艺方案是如图 6 所示的工艺方案。【相关文献】1何中伟，李寿胜.MCM-C 金属气密封装技术J.电子与封装，2023，99：1-6.2杨邦朝，张经国.多芯片组件MCM技术及其应用M.成都：电子科技大学出版社，2023.3张蜀平，郑宏宇.电子封装技术的进展J.电子与封装，2023，41：3-9.4Rao.R.Tummala，Eugene.J.Rymaszewski,Alan.G.Klopfenstein, 等.中国电子学会电子封装专业委员会组织译.微电子封装手册其次版M.北京：电子工业出版社，2023.5赵保经.集成电路封装M.北京：国防工业出版社，1993.6林栋，甘志银，汪学方，等.基于熔焊的 MEMS 真空封装J.电子工业专用设备， 2023，10： 49-52.