陶瓷封裝中貼片膠溶劑擴散的研究

葛秋玲，陳 陶

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在大多數(shù)封裝應(yīng)用中，半導體芯片需要芯片貼裝工藝來實現(xiàn)芯片與封裝基座的固定，芯片貼裝方法主要有貼片膠粘接、銀玻璃燒結(jié)和合金焊料焊接三種方式。貼片膠粘接具有工藝簡單、速度快、成本低、可修復、對芯片背面金屬化無特殊要求的優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。由于貼片膠中含有有機溶劑，材料分配后或在固化過程中有機溶劑很容易由于毛細作用通過陶瓷基板的微孔擴散，嚴重時擴散出來的溶劑覆蓋在指狀鍵合金屬化區(qū)域，導致無法引線鍵合。

溶劑擴散的現(xiàn)象變成了困擾貼片工藝的一個嚴重問題，本文針對陶瓷外殼中最常見的金屬化表面溶劑擴散問題，重點介紹溶劑擴散的現(xiàn)象、機理和引起擴散的影響因素，以及解決溶劑擴散的方法。

2 溶劑擴散現(xiàn)象描述

近幾年來隨著封裝產(chǎn)能、不同封裝形式品種應(yīng)用的增加，生產(chǎn)中出現(xiàn)了嚴重的溶劑擴散沾污鍵合指的問題，如圖1。根據(jù)產(chǎn)品檢查統(tǒng)計記錄顯示，國產(chǎn)和進口供應(yīng)商的外殼均有部分品種發(fā)生，且發(fā)生頻率和擴散的嚴重性與外殼型號、批次緊密相關(guān)。

溶劑擴散是由于聚合物材料中含有的有機溶劑因毛細作用通過陶瓷基板的微孔浸滲潤濕反應(yīng)，低粘度聚合物沿著基板表面遷移的現(xiàn)象。這是由于樹脂和基板的表面能不同，導致粘接劑中的有機成份圍繞基板表面進行遷移。

圖1 溶劑擴散沾污鍵合指示意圖

3 溶劑擴散機理

液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象稱為潤濕，它是物質(zhì)固有的性質(zhì)。

材料的潤濕性通常以潤濕角θ來表示，潤濕角是液態(tài)材料和基板材料之間的界面與焊料表面切線之間的夾角，當θ=0°時，完全潤濕；當θ =180°時，完全不潤濕，示意圖見圖2。

圖2 潤濕角與潤濕性關(guān)系示意圖

如圖3所示，在清潔的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全鋪開，這時可以說水對玻璃板完全潤濕。如果滴的是一滴油，則油滴會形成一球冠狀，發(fā)生有限鋪開，此時可以說油滴在玻璃板上能有限潤濕。若滴一滴水銀，則水銀將形成一個球體在玻璃板上滾動，這時說明水銀對玻璃不潤濕。

圖3 不同材料與母材潤濕性示意圖

潤濕性是由材料的表面張力決定的。作用于液體表面，促使液體表面收縮的力叫做表面張力，表面張力是物的本能，不能消除，但可以改變。

貼片膠是由基體樹脂、固化劑、增韌性、填料、觸變劑、潤濕劑、溶劑等混合而成，材料為膏狀形式。分配到基板表面，有機溶劑在基板表面會產(chǎn)生如圖4所示的張力作用。

此時，由于不同的張力關(guān)系，根據(jù)潤濕的定量描述楊氏方程：γlcosθ=γs-γsl，式中 θ為接觸角（0＜θ＜180°），γl是液相表面能（表面張力），γs是固相表面能，γsl是固液界面的表面能。

可能產(chǎn)生 3 種情況：（1）當 γs＞γsl， 0＜θ＜90°，液體處于滲入浸濕并蔓延狀態(tài)，即容易擴散的狀態(tài)；（2）當 γs=γsl，θ=90°, 液體處于停止狀態(tài) ,即平衡狀態(tài)，一般最終會成為此狀態(tài)；（3）當γs＜γsl，90°＜θ＜180°，液體不會滲入，即不容易擴散的狀態(tài)。

圖4 材料界面張力示意圖

擴散機理：溶劑擴散就是基板的表面能較大，溶劑與基板的界面不斷潤濕的過程。當固液界面的表面能小于或者等于基板的表面能，這樣溶劑與基板充分接觸，溶劑則不會在基板表面往外擴散。同時膠與基板也能形成較大的粘接強度。否則溶劑就會在基板表面擴散，形成較大的溶劑擴散區(qū)。

貼片膠中溶劑擴散是由基板和粘接劑共同決定的，對于控制潤濕或一種材料在另一種材料表面的擴散，界面特性是非常重要的，通過降低基板表面張力γs，cosθ將減小，θ將變大，從而達到減小擴散或不擴散的狀態(tài)。

4 引起溶劑擴散的因素

貼片膠中溶劑在基板表面的擴散主要與基板表面的狀態(tài)、貼片膠和工藝條件等密切相關(guān)，具體受到圖5所示幾方面因素的影響。

圖5 引起溶劑擴散的因素

4.1 基板表面狀態(tài)

溶劑在基板表面的擴散與基板表面的狀況直接相關(guān)，例如基板表面粗糙度、清潔度、基板的抗氧化等級等，能夠影響材料表面能，并由此影響溶劑擴散的程度。

基板表面粗糙度：粗看起來金屬化表面是很光滑的，但是若用顯微鏡放大看，就能看到無數(shù)凹凸不平的晶粒界面，液體沿著凹凸不平的表面鋪展、浸潤，就產(chǎn)生毛細作用。

基板表面清潔度：在外殼用于裝片之前，會有大量的機會引入各種各樣的表面沾污。在外殼生產(chǎn)工序，一個值得重點懷疑的工序是金層電鍍操作。電鍍槽將外殼暴露在多種有機和無機混合物中，當金層被淀積在外殼上時，這些材料可能會被殘留在金層的微結(jié)構(gòu)中。另外，外殼制造商通常會先用碳氟化合物/酒精進行清洗。這些清洗循環(huán)增加了外殼上溶劑殘留的可能性。

基板表面金屬化抗氧化等級：金屬化層表面抗氧化等級越高，溶劑在其表面的擴散將越多。

基板防擴散處理工藝：為了解決溶劑擴散的問題，有些外殼制造商在完成外殼制造工序后，增加了一道防擴散處理工藝，即將鍍金后的外殼浸液在含有表面活性劑的藥液中，之后進行水洗、干燥。

表面活性劑藥液同時含有親水基和憎水基，因表面活性劑屬于同性相吸的特性，基板表面的親水基（通常在基板陶瓷或鍍金表面吸附著親水基）和表面活性劑的親水基相互吸著，由此，在基板表面，因憎水基向外排列，使得基板表面的表面張力降低，形成液體不滲入、溶劑不容易擴散的狀態(tài)。

圖6 表面活性劑親水基與基板表面親水基示意圖

4.2 貼片膠類型

液體表面分子受到液體內(nèi)分子的引力大于大氣分子對它的引力，因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。含有更高分子量樹脂的粘接劑，或貼片膠中含有高表面張力稀釋劑（或溶劑），其溶劑擴散將更少。另外貼片膠制造工藝也有防擴散和不防擴散兩種工藝。防擴散工藝是在材料制作配方中添加如酚類、聚酰亞胺和氰酸脂等材料以阻止溶劑的流動性，此種貼片膠將不發(fā)生或在膠體周圍微量溶劑擴散。

4.3 工藝條件

貼片膠固化工藝條件如固化的溫度、時間，以及固化前的停留時間，對溶劑擴散程度也會有一些影響。貼片膠生產(chǎn)廠家推薦制定工藝條件時，在保證粘接可靠性的情況下，可適當提高固化溫度、減少固化的升溫時間和減少固化前的停留時間，來減少溶劑的擴散。

5 試驗及結(jié)果

由于溶劑擴散受到基板表面狀態(tài)、貼片膠類型和工藝條件等影響，針對這幾方面的因素進行了相關(guān)試驗，試驗及結(jié)果詳述如下。

5.1 基板表面狀態(tài)

5.1.1 基板表面粗糙度

在外殼供應(yīng)商A和B中，通過掃描電鏡分析兩家供應(yīng)商外殼的表面輪廓，供應(yīng)商A的外殼表面相對平滑、無孔，但相反地，供應(yīng)商B的外殼表面有許多粒狀和明顯的多孔性表面，見圖7、圖8。

圖7 供應(yīng)商A安裝區(qū)表面（1090×）

圖8 供應(yīng)商B安裝區(qū)表面（1090×）

試驗Ablestik和Epoxy的粘接劑在供應(yīng)商B的外殼中都出現(xiàn)了嚴重的溶劑擴散問題，但在供應(yīng)商A的外殼中沒有或只有很少的溶劑擴散出現(xiàn)。

對于供應(yīng)商B的外殼導致嚴重的溶劑擴散問題，表面的多孔性被認為能通過毛細管的傳輸作用及數(shù)量促進樹脂擴散。盡管多孔性表面能極大地促進最終的溶劑擴散，但這并不被認為是溶劑擴散問題的首要成因。同樣是存在多孔性表面的供應(yīng)商B其他批次外殼，有一些只有很輕微的溶劑擴散問題。

另外，此次試驗中，有供應(yīng)商A的外殼，即便是非多孔性表面，也仍然存在一定程度的溶劑擴散問題。

5.1.2 基板表面清潔度

外殼表面沾污主要發(fā)生在外殼生產(chǎn)過程中，為了發(fā)現(xiàn)這些表面沾污的存在，做了兩組試驗，采用供應(yīng)商B的外殼，一組外殼在去離子水中蒸煮/冷卻循環(huán)，連續(xù)5次，每次10 s。另外一組外殼在真空環(huán)境下200 ℃烘烤4 h。隨后，將粘接劑點在兩組外殼上測試，發(fā)現(xiàn)這兩組樣品都沒有發(fā)生溶劑擴散問題。明顯地，經(jīng)水煮或真空烘烤方法消除了外殼生產(chǎn)工序中的溶劑殘留物，見圖9。

圖9 處理前后溶劑擴散比較

基板鍍金的表面如采用等離子清洗以去除表面沾污物，只會增加表面的潤濕性，溶劑擴散問題將更加嚴重，圖10是等離子清洗前后溶劑擴散狀態(tài)的示意圖。

圖10 鍍金層表面等離子清洗前后溶劑擴散比較

5.1.3 基板表面金屬化抗氧化等級

金屬化層表面抗氧化等級越高，溶劑在其表面的擴散將越多。從圖11中的實驗數(shù)據(jù)可看出，當基板金屬化層抗氧化等級從0到5%時，每種類型粘接劑材料在其表面的擴散程度都增加了，擴散程度增加的那個點由粘接劑材料所決定。

5.1.4 基板防擴散處理工藝

為了解決溶劑擴散的問題，有些外殼制造商在完成外殼制造工序后，增加了一道防擴散處理工藝。

供應(yīng)商A某型號一批次的外殼，生產(chǎn)中出現(xiàn)嚴重溶劑擴散且覆蓋在鍵合指上，比例達20%，將問題反饋給供應(yīng)商，后續(xù)訂單外殼采用防擴散處理工藝，生產(chǎn)了約12萬只產(chǎn)品未發(fā)生溶劑擴散。

從上述各方面的驗證試驗得出，解決溶劑擴散的問題，可通過降低基板表面的粗糙度、降低或改變基板表面抗氧化的化學性質(zhì)、通過清洗/加熱處理以及對外殼采取防擴散處理工藝等方法，均能在一定程度上減小溶劑擴散或達到不擴散的狀態(tài)，但并不能完全消除溶劑擴散。

5.2 貼片膠類型

在實際使用中，要通過試驗來優(yōu)選貼片膠類型，但由于基板表面的不同狀態(tài)，貼片膠在基板表面存在不同程度的擴散。對3個廠家各3種貼片膠進行試驗，結(jié)果詳見表1。

6 結(jié)論

陶瓷封裝中貼片膠溶劑擴散現(xiàn)象的出現(xiàn)，與基板表面狀態(tài)、貼片膠類型和粘接固化工藝條件相關(guān)。減少溶劑擴散最有效的方法是與外殼供應(yīng)商一起合作，多個方法共同作用，通過降低基板表面的表面張力來減少溶劑擴散程度或達到不擴散的狀態(tài)。

圖11 不同粘接劑在不同抗氧化等級基板上溶劑擴散比較

表1 幾種類型貼片膠溶劑擴散情況

通過對引起溶劑擴散的各相關(guān)因素的一些試驗驗證，得出以下幾個方面的結(jié)論。

（1）陶瓷外殼中溶劑擴散，并不是因膠配方中的固有缺陷導致，和外殼表面狀況密切相關(guān)。

（2）外殼表面的粗糙度并不是溶劑擴散問題的首要成因。外殼多孔性表面導致的毛細管傳輸作用，出現(xiàn)更嚴重的溶劑擴散問題，但也有一些批次的未發(fā)生；而在光滑和無孔的表面，仍然有不同程度的溶劑擴散問題。

（3）外殼表面沾污的出現(xiàn)將改變外殼表面的潤濕特性，會促進樹脂中較輕成分的液相分離。沾污最有可能出現(xiàn)在金層電鍍工序中，這種沾污促進了清洗溶劑的激活吸收作用，導致和所用的貼片膠產(chǎn)生表面潤濕反應(yīng)。

（4）采用去離子水煮外殼或高溫和真空處理外殼，能去除電鍍工序、清洗劑溶劑和原始沾污殘留，可消除溶劑擴散。

（5）基板表面金屬化抗氧化等級與溶劑擴散有關(guān)，金屬化層表面抗氧化等級越高，溶劑在其表面的擴散將越多。

（6）采用外殼防擴散的處理工藝，表面活性劑藥液使得基板的表面張力降低，能有效地消除溶劑擴散。

（7）不同類型的貼片膠在抵抗擴散時有著很小的差別。采用防擴散工藝配方的膠，相對而言溶劑擴散程度較輕。

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