倒裝焊器件的密封技術(shù)

李欣燕，李秀林，丁榮崢

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

倒裝焊器件的密封技術(shù)

李欣燕，李秀林，丁榮崢

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

倒裝焊的底部填充屬非氣密性封裝，并且受倒裝焊凸點(diǎn)焊料熔點(diǎn)、底部填充有機(jī)材料耐溫限制，使得倒裝焊器件的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)受限。文章結(jié)合氣密性器件使用要求，設(shè)計(jì)了兩種不改變現(xiàn)行倒裝焊器件制造工藝、器件總體結(jié)構(gòu)[3]的密封技術(shù)，經(jīng)過(guò)分析論證以及工藝實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)其是可行的。密封的器件能夠滿足MIL-883G中有關(guān)氣密性、內(nèi)部水汽含量、耐腐蝕（鹽霧）、耐濕以及機(jī)械試驗(yàn)等[6～7]，密封結(jié)構(gòu)、密封工藝均是在現(xiàn)有封裝工藝條件基礎(chǔ)上進(jìn)行，具有非常強(qiáng)的可行性。

倒裝焊；氣密性；陶瓷外殼；平行縫焊；合金焊料熔封；可靠性

1 前言

隨著器件向多功能、高性能、薄型化、小型化、輕量化的方向發(fā)展，器件I/O端數(shù)增加的同時(shí)也向更高密度封裝發(fā)展。倒裝焊是其中的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在硅通孔（TSV）工藝成熟前是大家最愿意采用的封裝工藝技術(shù)，包括疊層倒裝焊，參見(jiàn)圖1[1，2，4，5]?，F(xiàn)見(jiàn)到報(bào)道的倒裝焊陶瓷封裝工藝均采用非氣密性的，如Power PC系列電路，參見(jiàn)圖2。底部填充材料具有一定的吸濕性，具有與塑料封裝中TBGA等相似的“爆米花”失效現(xiàn)象，另外底部填充材料并不能有效阻擋離子等的擴(kuò)散，這就使倒裝焊器件與現(xiàn)采用的氣密性陶瓷封裝器件在耐惡劣環(huán)境方面存在一定的差距，為了滿足器件耐惡劣環(huán)境并具備長(zhǎng)壽命的要求，必須開(kāi)發(fā)氣密性封裝的倒裝焊密封技術(shù)。

由于無(wú)鉛化焊料凸點(diǎn)熔點(diǎn)較低（通常在230℃左右），即使是Sn5Pb95焊料也僅在310℃左右，加上倒裝焊底部填充料玻璃轉(zhuǎn)化溫度低且在高溫度下易分解，以及芯片硅材料的熱膨脹系數(shù)（常溫400℃，～3.6×10-6/℃）與HTCC / LTCC陶瓷的熱膨脹系數(shù)存在較大的差異（90%Al2O3陶瓷，常溫400℃，～6.8×10-6/℃；LTCC則從5.4～12.3×10-6/℃均有），要求密封工藝使倒裝焊器件的溫升要盡可能地低，現(xiàn)行在陶瓷封裝中采用的玻璃熔封、Au80Sn20合金焊料熔封等密封工藝就不能直接使用，因?yàn)榈寡b焊底部填充材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg低且材料在熔封過(guò)程中將產(chǎn)生熱分解等，會(huì)導(dǎo)致倒裝焊互連接觸電阻增大甚至失效。

2 密封工藝技術(shù)

氣密性電子元器件通常是空封的，氣密性封口就是通過(guò)某種方式——如貯能焊、平行縫焊、激光焊、加熱熔封（如合金焊料、玻璃）以及冷擠壓等——將用于組裝的開(kāi)口密封起來(lái)的過(guò)程。采用有機(jī)膠等粘封的封口雖能通過(guò)氣密性檢查（測(cè)試參數(shù)合格），但其與塑料封裝電路一樣是非氣密性封裝，離子、水汽等可以通過(guò)界面、有機(jī)分子間的間隙進(jìn)行擴(kuò)散滲透。氣密性封裝是指使用對(duì)氣、水等抗?jié)B透性強(qiáng)的金屬、陶瓷、玻璃作結(jié)構(gòu)材料，將需要保護(hù)的器件密封在一個(gè)受控的環(huán)境中。氣密性封裝的器件所能適應(yīng)的使用環(huán)境更廣，常用于工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的器件以及器件性能受環(huán)境（如氣壓）影響大的器件的封裝。氣密性封帽是指氣密性封裝的最后一道封口工序，是氣密性封裝的關(guān)鍵工序。高可靠電子元器件氣密性封帽工藝常采用低溫合金焊料熔封、平行縫焊、低溫玻璃熔封、貯能焊、激光焊或冷擠壓，密封結(jié)構(gòu)、密封溫度能與倒裝焊器件相適應(yīng)的是低溫合金焊料熔封和平行縫焊；低溫玻璃在高溫下熔融并融合而形成密封，且密封溫度遠(yuǎn)高于Au80Sn20等合金焊料，顯然不適用。

常用的低溫合金焊料有Au80Sn20共晶焊料和錫-銀-銅等。封帽時(shí)通過(guò)對(duì)焊料加熱使之熔化，熔化焊料將蓋板/帽與外殼密封口融合密閉起來(lái)。Au80Sn20共晶焊料的熔點(diǎn)為280℃，封帽峰值溫度在320℃左右，峰值溫度保持時(shí)間在1min～2min。錫-銀-銅等因內(nèi)部氣氛不佳使用受到一定的限制。

平行縫焊屬電阻熔焊。它利用脈沖大電流通過(guò)焊接處高接觸電阻所產(chǎn)生的熱量，將蓋板與焊環(huán)相接觸的小區(qū)域熔接起來(lái)，局部熔接的溫度在1000℃～1500℃，平行縫焊僅局部有溫升，不需要對(duì)電子元器件進(jìn)行整體加熱，可防止某些電子元器件受高溫后參數(shù)容易漂移甚至損壞、內(nèi)部受到熱沖擊等，但平行縫焊過(guò)程中會(huì)使焊縫處鍍層等受到破壞，焊縫處的抗鹽霧耐腐蝕能力變?nèi)酢?/p>

3 倒裝焊工藝

典型的倒裝焊氣密性封裝工藝流程見(jiàn)圖3。

倒裝焊的基板材料有陶瓷、高質(zhì)量多層樹(shù)脂板和柔性基板，柔性基板主要應(yīng)用于手機(jī)、顯示器等方面，高質(zhì)量多層樹(shù)脂板則主要應(yīng)用在FPGA、DSP等高引出端數(shù)的IC中，而陶瓷基板則主要應(yīng)用在通訊基站等大型設(shè)備儀器中，以保證系統(tǒng)的可靠性。陶瓷基板具有更高熱性能、更高的強(qiáng)度以及更強(qiáng)的耐受惡劣環(huán)境的能力，特別在受潮后的溫度變化中表現(xiàn)出杰出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高互連可靠性。

即使是陶瓷基板、硅芯片材料可以有非常好的氣密性[8]，但底部填充劑留下的細(xì)縫還是給潮氣、離子等的擴(kuò)散和遷移帶來(lái)器件的質(zhì)量隱患，使器件并不能適應(yīng)海上、南方高溫潮濕天氣等惡劣條件下的長(zhǎng)壽命（如10年）以及通訊衛(wèi)星等使用的真空環(huán)境下（因氣壓低而導(dǎo)致材料膨脹使互連可靠性降低甚至失效），這就需要對(duì)使用在惡劣環(huán)境中的倒裝焊封裝進(jìn)行氣密性封裝。

4 倒裝焊器件的密封設(shè)計(jì)

氣密性封裝的密封腔或包裹，必須是氣密性的金屬-陶瓷-玻璃類材料，這些材料之間必須是原子連結(jié)，而不能采用任何有機(jī)材料進(jìn)行粘接。

在進(jìn)行氣密性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除需要考慮電性能之外，還需要考慮芯片的散熱問(wèn)題。倒裝焊芯片（結(jié)）的熱導(dǎo)出如圖4所示。芯片（結(jié)）產(chǎn)生的熱主要由三個(gè)途徑散出：（1）通過(guò)芯片焊料凸點(diǎn)和底部填充劑向外殼、再由外殼并主要通過(guò)外殼上的焊球，再通過(guò)系統(tǒng)板向周?chē)h(huán)境散熱；（2）通過(guò)芯片向芯片襯底，傳導(dǎo)到熱沉或芯片底面，然后再向環(huán)境散熱；（3）有熱沉的，部分熱還通過(guò)熱沉向外殼傳導(dǎo)，再由外殼向低溫區(qū)散熱。

對(duì)于功率密度或功率相對(duì)較大的器件，芯片背面的導(dǎo)熱是必須的，芯片背面必須與熱沉、散熱片或冷板等接觸，同時(shí)還需要保證倒裝焊芯片的底部填充膠縫口被密封起來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖5所示的結(jié)構(gòu)。對(duì)于功率不是很大同時(shí)又要保證有密封腔的，且在密封過(guò)程中不產(chǎn)生器件損傷、不引起底部填充的有機(jī)材料發(fā)生熱分解、退化等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了圖6和圖7帶腔的密封結(jié)構(gòu)，分別采用了平行縫焊密封工藝和Au80Sn20焊料局部加熱的密封工藝。前者對(duì)外殼制造要求多增加一道金屬框釬焊工藝，后者則需要使用價(jià)格較高的Au80Sn20焊料，在生產(chǎn)成本上較高。

5 倒裝焊密封器件氣密性及成品率

根據(jù)設(shè)計(jì)，我們制作了平行縫焊、合金焊料熔封、金屬直接覆蓋密封3種倒裝焊芯片密封的產(chǎn)品，見(jiàn)圖8。3種產(chǎn)品均能通過(guò)依據(jù)MIL-883G 方法1014.12[6]、GJB548B方法1014.1[7]的氦質(zhì)譜檢漏、粗檢漏。

將樣品與常規(guī)的CDIP、CLCC、CSOP、CSOJ、CQFP、CQFJ、CPGA、CBGA等引線鍵合的氣密性封裝（平行縫焊、Au80Sn20合金熔封等）進(jìn)行比測(cè)，其指標(biāo)均與之相當(dāng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了兩種氣密性封裝方案（三種工藝方式）均可行，且制作出合格產(chǎn)品，在進(jìn)行具體IC封裝設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)IC產(chǎn)品具體要求并結(jié)合IC使用做出合理選擇，以使封裝電路達(dá)到最優(yōu)化。

氣密性倒裝焊將大幅度提升封裝電路抗潮汽、離子滲透腐蝕等的能力，提升器件的可靠性，對(duì)海上潮濕等惡劣環(huán)境下使用的系統(tǒng)具有重要意義。氣密性倒裝焊封裝還可用于空間通訊衛(wèi)星、醫(yī)療等方面使用的IC封裝，幫助其降低體積的同時(shí)提升器件的可靠性。

［1］李福泉，王青春，張曉東．倒裝芯片凸點(diǎn)制作方法[J]．電子工藝技術(shù)，2003，2（24）：62-66.

［2］羅馳，練東．電鍍技術(shù)在凸點(diǎn)制備工藝中的應(yīng)用[J]．微電子學(xué)，2006，4（36）：467-472.

［3］任春嶺，魯凱．倒裝焊技術(shù)及應(yīng)用[J]．電子與封裝， 2009，4（5）：13-15.

［4］Inagaki M．Solder bumping technology for flip chip application[Z]．SECAP,2001．

［5］郭志揚(yáng)，金娜，等．倒裝焊凸點(diǎn)材料及焊盤(pán)金屬化[J]．微處理機(jī)，2002，2：20-22.

［6］MIL-STD-883G.Test methods and procedures for microelectronics[S].28 FEBRUARY 2006.

［7］GJB548B-2005.微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部.

［8］Rao R. Tummala，等. 微電子封裝手冊(cè)（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

Hermetically Sealed Construction and Technology of Flip-chip Device

LI Xin-yan, LI Xiu-lin, DING Rong-zheng
（Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co., Ltd.,Wuxi 214035,China）

Flip-chip packaging of underfill was non-hermetic packaging. By the limit of organic material’s temperature resistance of underfill and bump material’s melting, flip-chip hermetic structure design and technology were restricted. In this paper, in base of hermetic device’s demand and existing flip-chip technology and structure,two types structure was designed. The structure was feasible by the process test and analysis. The hermetic packaging device satisfied the standard MIL-883G of air-tightness, water vapor content, corrosion (salt atmosphere), moisture resistance and mechanical test. Hermetic device and hermetic technology were feasible in the base of existing packaging technology.

flip chip; air-tightness; ceramic package; parallel seam welding; solder sealing; reliability

TN305.94

A

1681-1070（2010）09-0001-04

2010-06-18

李欣燕（1976-），女，助理工程師，現(xiàn)在無(wú)錫中微高科電子有限公司從事IC封裝設(shè)計(jì)工作。