薄膜基板芯片共晶焊技術(shù)研究

巫建華

（中國電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著混合集成電路向著高性能、高密度、高可靠性以及小型化、低成本的方向發(fā)展，對(duì)芯片的安裝焊接工藝提出了更高的要求，將芯片與基板或管殼互聯(lián)時(shí)，主要有導(dǎo)電膠粘接和共晶焊接兩種方法，在高頻電路大功率芯片的安裝中，由于導(dǎo)電膠的電阻率大、導(dǎo)熱系數(shù)小，會(huì)造成器件損耗大，管芯熱阻大，結(jié)溫高，影響功率輸出和可靠性。而共晶焊接具有連接電阻小、傳熱效率高、散熱均勻、焊接強(qiáng)度高、工藝一致性好等優(yōu)點(diǎn)，所以特別適用于高頻、大功率器件和有較高散熱要求的功率器件的焊接。

近年來，共晶焊技術(shù)在混合集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用，本文針對(duì)高可靠薄膜基板芯片共晶焊工藝應(yīng)用的需求，研究了真空氣氛、焊接金屬化膜層、焊接壓力以及溫度、時(shí)間對(duì)芯片共晶焊可靠性的影響，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了各工藝參數(shù)，以滿足高可靠薄膜基板芯片共晶焊工藝的應(yīng)用需求。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)基板的制備

基板采用Al2O3陶瓷基板，共晶焊區(qū)采用磁控濺射或蒸發(fā)制備復(fù)合薄膜，通過電鍍、光刻、熱處理后獲得， 圖1為薄膜基板制作工藝流程圖，芯片采用Ti/Ni/Au，其中Au的厚度為0.2μm，共晶焊設(shè)備采用進(jìn)口的Westbood真空共晶焊爐。

圖1 基板制作工藝流程圖

2.2 焊料及厚度選擇

共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三種成分，表1為三種常用焊料的參數(shù)對(duì)比。

表1 不同焊料參數(shù)對(duì)比

三種焊料的熔點(diǎn)各不相同，選取時(shí)要綜合考慮焊接膜層及厚度、基板和芯片所能耐受的最高溫度等因素，通過表1對(duì)比，其中AuSn焊料的熔點(diǎn)最低，導(dǎo)熱性、電阻率都良好，并且焊料中Au占了很大的比重，材料表面的氧化程度較低，所以焊接中無需助焊劑，避免了因使用助焊劑對(duì)半導(dǎo)體芯片形成的污染和腐蝕。所以本研究采用預(yù)成型Au80Sn20焊片進(jìn)行燒結(jié)，共晶溫度280℃，焊片的尺寸與芯片大小相同，厚度40μm。

3 共晶焊接原理

共晶焊接又稱低熔點(diǎn)焊接，它是指在相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變成液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。共晶焊料是由兩種或兩種以上金屬組成的合金，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金中任一種金屬的熔點(diǎn)。共晶焊料的熔化溫度稱為共晶溫度，共晶焊料中合金成分比例不同，共晶溫度也不同，共晶焊接需要在一定的保護(hù)氣氛中加熱到共晶溫度使焊料熔融，同時(shí)芯片和基板表面的金會(huì)有少量進(jìn)入熔融的焊料，冷卻后會(huì)形成合金焊料與金層之間原子間的結(jié)合，從而完成芯片與基板之間的焊接。

4 關(guān)鍵技術(shù)與討論

4.1 夾具的設(shè)計(jì)

真空共晶焊焊接過程需要借助夾具，夾具的作用主要是提供一定的壓力和完成芯片的定位功能，一套完整的共晶焊夾具一般由上、中、下3種模塊組成。

圖2 共晶焊模具示意圖

夾具的設(shè)計(jì)要綜合考慮每爐共晶焊接數(shù)量、夾具的熱傳導(dǎo)性、熱均勻性、熱變形等特性，同時(shí)還要考慮夾具的易加工性、操作性和耐用性等因素。由于鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、熱均勻性且熱變形小，最終選定鋁合金作為夾具材料。

夾具的下模塊以陣列的方式開槽，起到固定管殼的作用，同時(shí)使熱量迅速傳給管殼；焊料片和芯片依次放在指定的位置，夾具中模塊開有孔，用于焊料片和芯片的定位，保證芯片焊接過程中位置的準(zhǔn)確性；夾具上模塊開有圓孔，圓孔上導(dǎo)入壓塊，壓塊可以對(duì)芯片施加一定壓力，使芯片、焊片、基板緊密結(jié)合，促使焊料四周擴(kuò)散， 提高共晶面的均勻性并減少空洞。

4.2 薄膜金屬化結(jié)構(gòu)及厚度

薄膜金屬化結(jié)構(gòu)一般分三層，由內(nèi)到外依次為粘附層、阻擋層、易焊層。粘附層是與基板直接接觸的金屬層，要求膨脹系數(shù)與Al2O3接近；易焊層是與焊料接觸的金屬層，要求性能穩(wěn)定、不易氧化、導(dǎo)熱導(dǎo)電好、浸潤焊料好；阻擋層為粘附層和易焊層之間的金屬層，要求與粘附層和易焊層粘接牢固、熱穩(wěn)定性好、并且具有相近的熱膨脹系數(shù)。經(jīng)過對(duì)比，我們確定選用Ti/Ni/Au膜系，Ti金屬作為復(fù)合薄膜與基板的粘附層，可以有效提高復(fù)合薄膜的附著力；Ni金屬的熱膨脹系數(shù)在Ti金屬與Au之間，這樣Ni金屬作為中間層不僅可以阻擋某些金屬的過度擴(kuò)散，而且也可以減小復(fù)合膜的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)復(fù)合膜系的穩(wěn)定性，Au金屬具有良好的穩(wěn)定性，并且其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，但是基板鍍Au層厚度以及焊料合金成分的變化都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，從圖3的AuSn相圖中看出，在共晶體的富金一側(cè)有非常陡的液相曲線陡度，在高于共晶組成處，含金量僅增加3%～5%就可使液相溫度從280℃提高到450℃以上，可見焊接時(shí)過量的金熔解就會(huì)使焊料的熔融溫度上升，從而造成浸潤的困難，所以基板Au層在保證足夠浸潤與防護(hù)性的前提下，厚度應(yīng)盡可能小?；迥又谱鞑捎孟葹R射后電鍍的方式，試驗(yàn)證明濺射Ti/Ni/Au總厚度為0.5μm，電鍍后上層Au厚度1.5μm對(duì)焊接質(zhì)量最有利。

圖3 AuSn相圖

4.3 真空度和氣氛對(duì)共晶焊的影響

真空度和保護(hù)氣氛是影響共晶焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在共晶焊接過程中如果真空度太低，焊區(qū)周圍的氣體以及焊料、被焊芯片焊接時(shí)釋放的氣體容易在焊接完成后形成空洞，從而增加焊接芯片的熱阻。但如果真空度太高，在加熱過程中熱導(dǎo)介質(zhì)變少，容易產(chǎn)生共晶焊料達(dá)到熔點(diǎn)溫度還沒有熔化的現(xiàn)象，圖4為不同真空試驗(yàn)條件下焊接空洞的對(duì)比情況。

圖4 真空度與焊接空洞的關(guān)系

從圖4中看出，隨著真空度的升高共晶焊的空洞面積呈遞減趨勢，真空度為1Pa時(shí)其空洞面積接近最小，以后隨著真空度的升高空洞面積呈平穩(wěn)趨勢，通過試驗(yàn)確定共晶焊的真空度為1Pa或者更高。

焊接氣氛就是指在焊接時(shí)采用何種氣體對(duì)焊接表面進(jìn)行保護(hù)，不致因表面氧化而影響其焊接，同時(shí)焊接時(shí)為防止芯片受污染，不允許使用助焊劑，因此為使低熔點(diǎn)合金焊料保持其表面潔凈而不受氧化，焊接氣氛顯得尤為重要。一般氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為保護(hù)氣體，氮?dú)饽芊乐购噶涎趸?，降低焊料表面張力，保證焊料與金屬表面充分潤濕，氫氣作為還原氣體，起到還原金屬氧化物的作用。通過對(duì)共晶焊接環(huán)境的控制，能很好解決焊接空洞的生成，在芯片共晶焊時(shí)，共晶界面存在空洞是引起器件失效的主要原因。這是因?yàn)椋簿Ы缑娲嬖诳斩磿?huì)使接觸電阻變大，器件工作時(shí)使界面溫度升高，從而引起器件失效。在GJB548中明確規(guī)定：共晶焊空洞率不能超過焊接總面積的50%。

圖5是真空度1Pa條件下采用氫-氮混合氣體保護(hù)的X射線照相，從圖中看出其空洞面積低于焊接面積的10%，空洞面積的控制完全滿足國軍標(biāo)的要求。

圖5 氫-氮保護(hù)氣體時(shí)共晶焊的空洞

4.4 壓力對(duì)共晶焊的影響

芯片采用預(yù)置焊片的方式與基板進(jìn)行真空共晶焊接，如圖6所示。

其中焊料在平行間隙的毛細(xì)填縫長度L可表達(dá)為：

式中θ為浸潤角，h為芯片與基板間的間隙，ρ為焊料的密度，σ為液態(tài)焊料的表面張力，g為重力加速度。

圖6 共晶焊結(jié)構(gòu)圖

可見在芯片上施加力F，可以有效減小芯片和基板間的間隙，增加填縫長度L。焊接時(shí)壓力的調(diào)整很重要，要根據(jù)芯片的材料、厚度、大小綜合情況進(jìn)行調(diào)整，壓力太小或不均勻會(huì)使芯片和基板之間產(chǎn)生空隙或虛焊；壓力過大有可能導(dǎo)致芯片被壓碎，并且可能導(dǎo)致出現(xiàn)焊接金屬層太薄的情況。壓力的大小通過壓塊的自重來實(shí)現(xiàn)。表2給出了不同壓力條件下基板四周焊料溢出情況以及焊接空洞的情況。

表2 不同壓力條件下芯片焊接情況對(duì)比

通過試驗(yàn)，我們確定施加的壓力一般為2kPa左右可以得到理想的焊接狀況。

4.5 工藝曲線設(shè)置

真空共晶焊過程主要包括前處理、預(yù)熱、焊接和冷卻四部分。前處理階段包括抽真空→充氮?dú)浠旌蠚怏w→抽真空，目的是排除加熱室內(nèi)殘留氣體，防止焊料在高溫時(shí)氧化，影響焊接質(zhì)量；預(yù)熱階段包括升溫-預(yù)熱溫度，主要起到一個(gè)緩沖作用，使器件表面的溫度均勻；焊接階段包括升溫-焊接溫度，焊接是整個(gè)真空共晶焊接的主要過程，溫度達(dá)到焊接溫度后焊料熔化，此時(shí)焊料與芯片和電路的金屬層Au充分浸潤；冷卻階段主要包括降溫過程，冷卻速率可以控制焊點(diǎn)的微結(jié)晶結(jié)構(gòu)；在焊接完成后，溫度降到熔點(diǎn)以下，焊料由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，形成高強(qiáng)度、導(dǎo)電導(dǎo)熱良好的焊接面，同時(shí)考慮到焊點(diǎn)迅速冷卻、焊料晶格細(xì)化，結(jié)合強(qiáng)度提高，焊點(diǎn)光亮，所以一般通過快速吹氮?dú)獾姆椒ㄌ岣呓禍厮俾省?yōu)化的共晶焊接工藝曲線如圖7所示。

圖7 真空共晶焊溫度曲線

在各工藝參數(shù)中，最關(guān)鍵的就是共晶溫度以及時(shí)間的選取，在設(shè)置溫度曲線時(shí)，在保證焊接效果的前提下，焊接溫度和保持時(shí)間盡可能低，對(duì)于芯片共晶焊工藝，一般用剪切強(qiáng)度的大小和空洞的控制能力來評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，圖8為焊接峰值溫度保持30s的情況下，芯片剪切強(qiáng)度與焊接溫度的關(guān)系曲線。

圖8 剪切強(qiáng)度與焊接溫度的關(guān)系

從圖8中看出，焊接的溫度在330℃左右其剪切強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著溫度的進(jìn)一步升高，芯片的剪切強(qiáng)度反而下降，這主要因?yàn)楹附咏饘倌颖唤g的原因，經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化我們確定最終的焊接溫度為330℃，時(shí)間是30s。 除此之外，在共晶焊時(shí)，真空度、壓力、升溫速率、冷卻速率等都直接影響到最終焊接質(zhì)量，因此在溫度曲線設(shè)置時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。

5 共晶焊可靠性評(píng)價(jià)

5.1 共晶焊接觸電阻

共晶焊的接觸電阻與空洞面積成正比關(guān)系，由于研究中很好地控制住焊接空洞，按照優(yōu)化的工藝參數(shù)焊接的樣品空洞率一般低于10%，所以接觸電阻也比較小，但接觸電阻隨環(huán)境的改變會(huì)相應(yīng)變化，特別是高溫高濕環(huán)境下，互連金屬的氧化、電化學(xué)腐蝕以及聚合物吸潮都會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增加，研究表明，熱循環(huán)、熱沖擊、高溫高濕等環(huán)境以及外來沖擊載荷均會(huì)影響共晶焊的可靠性。為了驗(yàn)證共晶焊的可靠性，我們分別對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了150℃高溫貯存以及-65℃～150℃溫度循環(huán)試驗(yàn)，圖9、圖10分別為隨老化時(shí)間以及溫循次數(shù)的增加共晶焊接觸電阻的變化規(guī)律。

圖9 接觸電阻與老化時(shí)間的關(guān)系曲線

圖10 接觸電阻與溫度循環(huán)的關(guān)系曲線

從圖中看出，共晶焊的接觸電阻控制在5%以內(nèi)，完全滿足共晶焊實(shí)用化要求。

5.2 共晶焊接強(qiáng)度

共晶焊接強(qiáng)度一般通過剪切強(qiáng)度的大小來體現(xiàn)，但剪切強(qiáng)度隨老化時(shí)間以及溫循次數(shù)的增加而下降，這是因?yàn)楫?dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，由于器件的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致熱應(yīng)力，在熱沖擊載荷作用下會(huì)在焊接合金層與芯片界面或合金與基板界面上形成裂紋，從而導(dǎo)致剪切強(qiáng)度的降低。圖11、圖12 分別為隨老化時(shí)間以及溫循次數(shù)的增加芯片剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律。

從圖中看出，在高溫貯存和溫度循環(huán)后，芯片的剪切強(qiáng)度完全滿足GJB548B方法2019的要求，并且其變化率控制在10%以內(nèi)。

圖11 剪切強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系曲線

圖12 剪切強(qiáng)度與溫度循環(huán)的關(guān)系曲線

6 結(jié)論

通過在薄膜基板上進(jìn)行芯片共晶焊技術(shù)的研究，主要解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）真空環(huán)境下運(yùn)用O2、H2混合氣體進(jìn)行AuSn共晶焊接，有效避免氧化物產(chǎn)生，提高了焊接的浸潤性，并使焊接空洞面積控制在10%以下。

（2）制訂合適的共晶焊接曲線，焊接溫度為330℃，焊接時(shí)間30s，基板金屬化Au層厚度1.5μm，焊接壓力控制在2kPa可以有效保證焊接質(zhì)量。

（3）通過可靠性試驗(yàn)對(duì)芯片共晶焊的電性能和機(jī)械性能進(jìn)行考核，在試驗(yàn)后樣品的剪切強(qiáng)度滿足GJB548B-2005的要求，接觸電阻變化率小于5%，完全滿足實(shí)用化的要求。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè)——焊接方法及設(shè)備（第2版）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]朱瑞廉．混合微電路技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3]謝飛，劉美玥．真空共晶技術(shù)的研究應(yīng)用[J]．電子工藝技術(shù)，2006，27（6）：344-347.