硅基密封氣密性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

吉 勇，高娜燕，燕英強(qiáng)，明雪飛，陳 波，丁榮崢

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

硅基密封氣密性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

吉 勇，高娜燕，燕英強(qiáng)，明雪飛，陳 波，丁榮崢

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

探討了硅基氣密性封裝的可行性，將電鍍鎳-金鍍層的柯伐蓋板、密封區(qū)金屬化的硅基板用金錫焊料片通過熔封形成密封。硅是一種脆性材料，在硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)中，需要研究氣密性封裝腔體大小對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響（規(guī)律），以及可承受的壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明，腔體小于11 mm×27 mm時(shí)（腔體高度不限），350 μm厚度的硅基板可直接與柯伐蓋板密封，密封結(jié)構(gòu)中的硅基板不會(huì)碎裂且可承受至少0.1 MPa的壓力。

硅基封裝；氣密性；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1 前言

氣密性封裝中金屬封裝和陶瓷封裝憑借其優(yōu)異的可靠性得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著電子工業(yè)及航空和航天工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)階段用戶對(duì)于電子器件的多功能、高性能、系統(tǒng)化等方面的要求越來越高，同時(shí)也要求整個(gè)封裝模塊輕、薄、小。金屬封裝和陶瓷封裝的封裝外殼決定了整個(gè)封裝體的重量無法做到很輕，并且受到外殼制作工藝的限制（如節(jié)距、布線層厚度），在進(jìn)行多層布線后，其體積必然會(huì)變大，就更無法滿足薄、小的需求。

硅是一種價(jià)格低廉的半導(dǎo)體封裝材料，用硅做氣密性封裝外殼，以目前較成熟的半導(dǎo)體制程技術(shù)來看，布線層厚度能穩(wěn)定控制在22 nm甚至更薄，那么即使在進(jìn)行多層布線后其厚度也不會(huì)有巨大的變化，且其焊盤的節(jié)距可以控制得比金屬、陶瓷封裝中的節(jié)距小很多。由此不難看出，硅基氣密性封裝相較于金屬封裝和陶瓷封裝，在控制封裝模塊輕、薄、小上的優(yōu)勢非常明顯，再結(jié)合圓片級(jí)封裝工藝的優(yōu)點(diǎn)，大批量制造時(shí)的成本優(yōu)勢也很明顯。

氣密性密封時(shí)常使用錫焊或釬焊。錫焊通常采用Sn-Pb、In-Ag和Bi-Sn等釬料進(jìn)行密封，錫焊稍次于共晶金錫合金釬焊，因?yàn)槠鋸?qiáng)度約為Au80Sn20強(qiáng)度的1/2，并且金屬間化合物的形成更容易失效，而且在大多數(shù)情況下封接時(shí)必須采用助焊劑[2]，而金錫焊料有優(yōu)良的機(jī)械性能，同時(shí)具有獨(dú)特的潤濕性和抗氧化性，可以實(shí)現(xiàn)無助焊劑封焊，消除了助焊劑的污染[3]。

本文研究了一種新型硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)，結(jié)合硅、金錫焊料的優(yōu)異特點(diǎn)，將表面帶有鎳-金鍍層的蓋板和表面金屬化的硅基板以及金錫焊料片通過熔融形成密封。因?yàn)楣枋且环N脆性材料，在硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在施加一定壓力的情況下能支撐的空腔體積是未知的，需要對(duì)其進(jìn)行研究分析。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)需要研究硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣密性以及可靠性，考慮到硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)部需要貼裝IC芯片以及硅基板，將密封腔體劃分為2個(gè)部分，硅基板氣密性密封結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D1和圖5 。

圖1 氣密性硅基板平面布局圖

用Ansys Mechanical仿真軟件建立了如圖2所示的模型，模型中各材料參數(shù)由工具書及公開文獻(xiàn)獲得。

圖2 仿真模型建立

利用有限元的計(jì)算方法模擬對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加了0.2 MPa和0.3 MPa的壓力，并據(jù)此進(jìn)行了模擬計(jì)算，其仿真結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 施加0.2 MPa壓力仿真結(jié)果

圖4 施加0.3 MPa壓力仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，在施加0.2 MPa壓力時(shí)，腔體邊緣硅基板所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值達(dá)到了84.6 MPa；而在施加0.3 MPa壓力時(shí)，腔體邊緣硅基板所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值則達(dá)到了122 MPa，在如此大的應(yīng)力之下，硅基板將會(huì)在最大應(yīng)力處發(fā)生碎裂。

為增加硅基板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，我們考慮有選擇地在部分硅基氣密性結(jié)構(gòu)內(nèi)的硅基板上貼裝一定厚度的單晶硅片，密封完成后進(jìn)行加壓測試，檢測其氣密性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

試驗(yàn)中硅基板為單晶硅，蓋板為柯伐合金（因蓋板制作工藝限制，將蓋板拆分為蓋板和焊框，再用焊料焊接在一起）；硅基板上濺射金屬層，蓋板和焊框表面鍍鎳-金；硅基板、焊框、蓋板間放置預(yù)成型焊料片Au80Sn20，經(jīng)過合金燒結(jié)后形成氣密性密封，具體封裝結(jié)構(gòu)參見圖5。

圖5 硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用JM7000導(dǎo)電銀膠將芯片貼裝到硅基板上。

3 試樣制備

本文中密封采用了氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下的燒結(jié)工藝，并設(shè)計(jì)了特殊夾具防止燒結(jié)過程中硅基板、柯伐焊框、柯伐蓋板以及兩層預(yù)成型金錫焊料片之間發(fā)生偏移，另外還可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整為真空密封。硅和柯伐合金蓋板之間并不能直接焊接，因此需要對(duì)硅基板、焊框和蓋板的表面進(jìn)行金屬化處理，各零件表面金屬化層設(shè)置情況如表1。

表1 零件表面金屬化設(shè)置表

本次試驗(yàn)共組裝樣品4只，2只未貼裝裸硅片的樣品編號(hào)1號(hào)、2號(hào)，2只貼裝裸硅片的樣品編號(hào)3號(hào)、4號(hào)。設(shè)計(jì)的柯伐蓋板厚度0.4 mm，柯伐焊框厚度1 mm，硅基板、IC芯片厚度均為0.35 mm。

硅片貼裝到硅基板上的工藝條件為：200 ℃恒溫5 min，300 ℃恒溫60 min，無氣氛保護(hù)；硅基氣密性結(jié)構(gòu)密封工藝條件為：260 ℃恒溫2 min，340 ℃恒溫2 min，自然降溫，氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)。

密封后外觀檢查：首先對(duì)樣品表面進(jìn)行目檢，觀察樣品硅基板面是否有裂紋，然后使用X射線儀檢查燒結(jié)面孔隙情況。

檢漏過程：根據(jù)GJB548B-2005方法1014.4密封的要求，樣品全部放入125 ℃氟油進(jìn)行粗檢漏；無肉眼可見氣泡的繼續(xù)進(jìn)行細(xì)檢，其中1號(hào)、4號(hào)樣品加壓0.2 MPa，保持2 h；2號(hào)、3號(hào)樣品加壓0.3 MPa，保持2 h后；加壓完成后對(duì)樣品表面再次進(jìn)行目檢，觀察樣品硅基板面是否有裂紋；最后將硅基板面無明顯裂紋的樣品浸入125 ℃氟油，浸泡過程中觀察是否有氣泡。

4 試驗(yàn)結(jié)果

密封完成后的4只樣品中，1號(hào)大腔體有裂紋，小腔體無裂紋，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)樣品無裂紋，樣品密封完成后硅基板面和金屬蓋板面的實(shí)際情況見圖6。使用X射線儀檢查樣品合金燒結(jié)面，均未發(fā)現(xiàn)貫通性氣孔，但存在不同程度孔隙，設(shè)計(jì)燒結(jié)面寬度2 mm，最大孔隙寬度1.138 mm，孔隙集中在整個(gè)焊接面的一側(cè)位置，焊接面孔隙情況見圖6。

檢漏后，1號(hào)樣品通過處理后僅保留小腔體硅基板，通過0.2 MPa加壓測試及氟油浸泡，小腔體處硅基板保持正常，且浸泡過程未發(fā)現(xiàn)氣泡；2號(hào)樣品加壓0.3 MPa后，大、小腔體硅基板均發(fā)現(xiàn)裂紋；3號(hào)樣品加壓0.3 MPa后，大腔體硅基板發(fā)現(xiàn)裂紋，小腔體處無裂紋但浸入氟油后臨近大腔體焊環(huán)處硅基板崩裂；4號(hào)樣品加壓0.2 MPa后，大腔體出現(xiàn)裂紋，小腔體無裂紋，浸入氟油中時(shí)，大腔體炸開，將臨近小腔體焊環(huán)處的硅基板崩裂。檢測后樣品情況見圖7。

5 分析與結(jié)論

硅基氣密性結(jié)構(gòu)完成密封后無貫通性氣孔，但存在的孔隙寬度與設(shè)計(jì)的焊接寬度仍有較大差異，需要對(duì)密封的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

分別施加0.2 MPa、0.3 MPa壓力后，硅基氣密性密封結(jié)構(gòu)的大腔體都發(fā)生了不同程度的碎裂，與模擬計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力位置基本一致，而樣品中小腔體的完整，表明空腔面積小于11 mm×27 mm時(shí)，350 μm厚度的硅基板可以承受至少0.1 MPa的壓力。

圖6 樣品密封后情況

圖7 檢測后樣品情況

值得一提的是：該結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷近320 ℃的降溫后仍能保持一定的氣密性，柯伐合金蓋板和硅基板的氣密性密封結(jié)構(gòu)具備一定的可行性，后續(xù)如能對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能給硅基板實(shí)現(xiàn)氣密性密封帶來新思路。

[1] 解啟林，朱啟政. MCM組件盒體與蓋板氣密封裝倒置釬焊工藝方法[J]. 電子工藝技術(shù)，2007，28（4）：211-213.

[2] 徐駿，胡強(qiáng)，林剛，等. Sn-Bi系列低溫?zé)o鉛焊料及其發(fā)展趨勢[J]. 電子工藝技術(shù)，2009，30（1）：1-4.

[3] 姚立華，吳禮群. 采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2010，31（5）：267-270.

Study of the Silicon Hermetic Package Tightness and Structural Strength

JI Yong, GAO Nayan,YAN Yingqiang, MING Xuefei, CHEN Bo, DING Rongzheng
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

To research the feasibility of one novel silicon hermetic package, welding the cover with nickel and gold surface, silicon substrate surface metalized and Au80Sn20 solder pieces. Need to research the effect of cavity area changes that influence the silicon package’s structure strength and the pressure that package could support, for silicon is a brittleness material. The results showed, when the section acreage of cavity less than 11 mm×27 mm, 350 μm thickness silicon substrate can weld with kovar cover directly, and the package can support at least 0.1 MPa pressure while the silicon substrate with no crack.

silicon package; hermetic; structural strength

TN305.94

A

1681-1070（2014）08-0015-03

2014-05-08