高可靠集成電路封裝技術(shù)研究

張知

摘 要：針對(duì)半導(dǎo)體模擬集成電路內(nèi)部水汽含量大，不能滿足裝備對(duì)集成電路長(zhǎng)期可靠性要求的現(xiàn)狀，對(duì)陶瓷熔封、金屬儲(chǔ)能焊封兩種封裝技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，針對(duì)可能導(dǎo)致器件內(nèi)部水汽含量增大的主要原因，進(jìn)行工藝研究， 實(shí)現(xiàn)了有效控制器件內(nèi)部水汽含量的預(yù)定目標(biāo)，使封裝器件內(nèi)部的水汽含量由10000～50000ppm提升到5000ppm以內(nèi)的水平，大幅度提升器件封裝的可靠性。

關(guān)鍵詞：集成電路；金屬封裝；陶瓷封裝；內(nèi)部水汽含量

1 前言

內(nèi)部水汽含量是陶瓷封裝及金屬封裝集成電路的主要控制參數(shù)，如果水汽含量過高，如大于10000ppm以上時(shí)，會(huì)對(duì)集成電路的長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致器件內(nèi)容短路、漏電、燒毀等失效現(xiàn)象。在裝備可靠性要求較高的場(chǎng)合，要求器件封裝內(nèi)部的水汽含量控制在5000ppm以內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，是研究的主要課題。

為此，在工藝改進(jìn)、設(shè)備改進(jìn)、系統(tǒng)控制等方面作了充分、詳細(xì)的策劃，以儲(chǔ)能焊系統(tǒng)、陶瓷熔封系統(tǒng)為核心展開技術(shù)研究。

2 內(nèi)部水汽含量水平現(xiàn)狀

近年來(lái)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的十分激烈，質(zhì)量及可靠性是決定市場(chǎng)取勝的必要因素之一，客戶要求越來(lái)越高，明確要求器件封裝內(nèi)部的水汽含量控制在5000ppm以內(nèi)。不少人在內(nèi)部水汽含量控制方面作了不少努力，如在封裝前增加烘烤，采用充N2封裝等，但對(duì)控制效果一直沒有作系統(tǒng)的定量評(píng)價(jià)。為了準(zhǔn)確地了解現(xiàn)行封裝工藝對(duì)內(nèi)部水汽含量的控制效果，對(duì)主，對(duì)市場(chǎng)上購(gòu)買的產(chǎn)品進(jìn)行了內(nèi)部水汽含量測(cè)量。測(cè)量結(jié)果見表1。

測(cè)量結(jié)果表明：普通產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量在10000ppm～50000ppm之間分布，其典型值在35000ppm附近，與≤5000ppm標(biāo)準(zhǔn)要求相比，相差甚大。

3 原因分析與研究

3.1 內(nèi)部水汽含量大的原因分析

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，結(jié)合陶瓷熔封的鏈?zhǔn)綗Y(jié)系統(tǒng)、儲(chǔ)能焊封裝的HA-8型系統(tǒng)，開展了相關(guān)原因分析和驗(yàn)證活動(dòng)，基本確定了導(dǎo)致器件內(nèi)部水汽含量高的主要因素有以下幾個(gè)方面：

3.1.1 兩個(gè)獨(dú)立封裝系統(tǒng)中存在的共性因素

⑴封裝產(chǎn)品均采用國(guó)產(chǎn)環(huán)氧型導(dǎo)電膠（DAD-87）作為芯片的粘結(jié)劑。這類粘結(jié)劑中的各種有機(jī)物在現(xiàn)行工藝尤其是封裝前的預(yù)處理工藝中不能充分揮發(fā)，在封裝以后的各種老化、篩選過程中，體內(nèi)的有機(jī)物逐漸溢出（揮發(fā)），這些有機(jī)物在某種應(yīng)力（如溫度、電應(yīng)力等）的作用下產(chǎn)生電化學(xué)等反應(yīng)，有的形成水汽物質(zhì)，從而導(dǎo)致了器件腔體內(nèi)水汽含量大量增加。

⑵充N2封裝未起到干燥腔體、減小水汽含量的預(yù)期效果，主要原因是=“高N2”實(shí)際達(dá)不到99.99%的純度要求，且不穩(wěn)定，有的瓶裝N2的水汽含量測(cè)量值競(jìng)大于100ppm。

3.1.2 儲(chǔ)能焊封系統(tǒng)的影響因素

HA-8型儲(chǔ)能焊設(shè)備僅采用紅外燒烤箱對(duì)封裝前在制品進(jìn)行干燥，不會(huì)降低水汽相對(duì)比例，是一種“假干”現(xiàn)象。

同時(shí)，經(jīng)預(yù)處理的待封裝產(chǎn)品在移至操作箱的過程中，不可避免地要與大氣交換；在戴帽的情況下充N2（操作箱內(nèi)呈正壓狀態(tài)）過程中，勢(shì)必發(fā)生交換不暢的現(xiàn)象。

綜上所述，有效控制器件內(nèi)部水汽含量，使之達(dá)到攻關(guān)目標(biāo)，問題集中在如何解決以下問題：

在使用導(dǎo)電膠粘結(jié)材料中，必須研究并確定“穩(wěn)定性烘烤”的最佳工藝，為經(jīng)燒結(jié)后的導(dǎo)電膠中的揮發(fā)性有機(jī)物提供釋放空間是關(guān)鍵。

建立具有保持預(yù)烘效果，封裝環(huán)境干燥度得到有效保障的充N2封裝系統(tǒng)是重要的。

3.1 技術(shù)攻關(guān)措施

3.2.1 陶瓷熔封系統(tǒng)

根據(jù)分析結(jié)果，認(rèn)為：要有效控制陶瓷熔熔封器件內(nèi)部水汽含量并使之保持在≤5000ppm，在其他條件不變的前提下，采取如下技術(shù)措施是比較合適的：

⑴結(jié)合芯片剪切力攻關(guān)，采用新的粘結(jié)劑（低溶玻璃燒結(jié)），在芯片燒結(jié)過程中，適當(dāng)?shù)乜刂祁A(yù)烘溫度的升溫速度，為給玻璃的調(diào)和劑（松油醇）提供一個(gè)充分的揮發(fā)條件；見溫度曲線示意圖（圖1）

⑵在封蓋燒結(jié)之前，至少提前2小時(shí)對(duì)鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐的所有溫區(qū)通高純N2，確保燒結(jié)過程（溫度建立區(qū)、軟化區(qū)、燒結(jié)區(qū)、穩(wěn)定區(qū)）始終處于N2氣保護(hù)之下。

⑶對(duì)N2水汽含量進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視，對(duì)封裝用的高N2，采取逐瓶測(cè)量的措施，確保大于10ppm的瓶裝N2不用于封裝。

3.2.2 儲(chǔ)能焊封裝系統(tǒng)

在其他條件不變的財(cái)政部下，采取如下技術(shù)措施是比較合適的：

⑴N2水汽含量必需小于10ppm的，烘烤時(shí)間≥48小時(shí)。

⑵采用充氮抽真空烘箱進(jìn)行燒烤，并與HA-8儲(chǔ)能機(jī)操作箱連為一體。

⑶確定產(chǎn)品經(jīng)穩(wěn)定性烘烤轉(zhuǎn)入封裝系統(tǒng)后，在充N2和125℃條件下至少烘烤4小時(shí)才由密封門進(jìn)入操作箱進(jìn)行封裝操作。

3.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

采用電子除濕技術(shù)，達(dá)到了操作箱24小時(shí)長(zhǎng)期干燥控制，使該環(huán)境始終處于5%RH以下水平。

確保操作箱和潔凈烘箱兩大系統(tǒng)“密封性”對(duì)接難題。經(jīng)過4小時(shí)烘烤后轉(zhuǎn)入操作箱的過程中，不產(chǎn)生與外環(huán)境接觸的機(jī)會(huì)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

⑴建立了一個(gè)有效控制器件內(nèi)部水汽含量的封裝系統(tǒng)。經(jīng)封裝系統(tǒng)的技術(shù)研究、工藝研究，無(wú)論是陶瓷封裝和金屬圓形封裝產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量從設(shè)備系統(tǒng)能力和工藝合理化等方面得到了保障。

⑵試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。表2是黑陶瓷封裝產(chǎn)品（1302～1309）水汽含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，表3是金屬圓形封裝產(chǎn)品（1306～01309）水汽含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

大量數(shù)據(jù)表明：經(jīng)技術(shù)研究及改進(jìn)后的兩種封裝形式的產(chǎn)品，其內(nèi)部水汽含量得到了有效控制，其波動(dòng)幅度在800ppm～5000ppm之間。

5 結(jié)論

⑴將原封裝的粘結(jié)劑改為低熔玻璃材料和對(duì)各燒結(jié)過程的嚴(yán)格控制，以及適宜的工藝組合，獲得了穩(wěn)定、可靠地控制封裝產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量，達(dá)到了≤5000ppm的攻關(guān)要求。

⑵在穩(wěn)定性烘烤方面，對(duì)經(jīng)充分預(yù)烘后的產(chǎn)品在封裝時(shí)的各種影響因素得到有效控制，確保了產(chǎn)品在充分干燥和N2環(huán)境中完成封裝，有效地控制了封裝產(chǎn)品其內(nèi)部水汽含量≤5000ppm的水平。

⑶通過多次反復(fù)試驗(yàn)、驗(yàn)證活動(dòng)，產(chǎn)品質(zhì)量一致性、重復(fù)性滿足預(yù)期要求。

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