平行縫焊金屬封裝內(nèi)部多氣氛控制研究

李壽勝，夏俊生，李　波，張　靜

(中國兵器工業(yè)集團214研究所，安徽 蚌埠 233042)

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平行縫焊金屬封裝內(nèi)部多氣氛控制研究

李壽勝，夏俊生，李波，張靜

(中國兵器工業(yè)集團214研究所，安徽 蚌埠 233042)

摘要：隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，部分軍標(biāo)或高可靠產(chǎn)品除了對電子封裝內(nèi)部水汽的控制要求有了大幅提升外，還對封裝內(nèi)部其他多種氣氛的控制提出了嚴(yán)格的要求。由于受材料和工藝的限制，封裝內(nèi)部多種氣氛含水汽的控制一直是高可靠封裝的重點和難點。從內(nèi)部氣氛產(chǎn)生的原因分析及處理措施出發(fā)，分析給出了厚膜混合集成電路平行縫焊金屬封裝內(nèi)部多種氣氛控制方案，以滿足H級產(chǎn)品特別是航天高可靠產(chǎn)品對電子封裝內(nèi)部水汽及其他多種氣氛高標(biāo)準(zhǔn)的控制要求。

關(guān)鍵詞：殘余氣體分析(RGA)；水汽；金屬封裝；密封

自20世紀(jì)中期以來，微電子技術(shù)按照摩爾定律的預(yù)言迅猛發(fā)展。提高電子產(chǎn)品集成度的驅(qū)動力來源于人們對輕、薄、短和小電子產(chǎn)品的不懈追求。電子產(chǎn)品集成度越高，人們對其可靠性就越關(guān)注。除了芯片自身的質(zhì)量外，電子封裝的密封性和內(nèi)部水汽含量控制也成了高可靠產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。單片集成電路軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB 597A—1996)和混合集成電路軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB 2438A—2002)都對封裝的密封性和內(nèi)部水汽含量提出了指標(biāo)要求，但是，開發(fā)的高可靠單片集成電路、混合集成電路和多芯片模塊產(chǎn)品往往出現(xiàn)因為不能通過密封性試驗或不滿足內(nèi)部水汽含量要求而前功盡棄[1-2]。此外，內(nèi)部氣氛含量與微電子器件的使用壽命密切相關(guān)。器件失效前的試驗壽命與水汽含量呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)或負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，即壽命將隨封裝內(nèi)部水汽含量的提高而迅速降低[3]。

現(xiàn)階段，某些混合電路高質(zhì)量等級項目對產(chǎn)品封裝內(nèi)部水汽含量的合格判定指標(biāo)已經(jīng)有了明顯提高，且對封裝內(nèi)部的其他氣氛，如二氧化碳、氧氣等也有了明確的指標(biāo)要求，這就對混合電路的封裝工藝及相關(guān)組裝工藝提出了更高的要求。目前，平行縫焊金屬外殼氣密性封裝工藝是厚膜混合電路高可靠封裝的主要形式之一；因此，有必要研究和制定厚膜混合集成電路平行縫焊金屬封裝內(nèi)部多氣氛控制方案，確定行之有效的控制措施，降低封裝內(nèi)部水汽含量及其他殘余氣體的成分，滿足高質(zhì)量的要求。

1問題描述

某航天專項工程用電子元器件對內(nèi)部氣氛控制提出了專門的技術(shù)要求，壽命試驗后的密封合格樣品在100 ℃時內(nèi)部氣氛含量控制水平應(yīng)達到：水汽含量≤3 000 ppm，氧氣含量≤1 000 ppm，氫氣含量≤1 000 ppm，二氧化碳含量≤2 000 ppm等。

在某些混合電路產(chǎn)品按照上述技術(shù)要求執(zhí)行時發(fā)現(xiàn)，如果按常規(guī)手段進行工藝控制，即便采用最有利于內(nèi)部氣氛控制的金屬外殼平行縫焊封裝工藝，所獲得的密封產(chǎn)品仍無法滿足該技術(shù)指標(biāo)要求。

2原因分析

從人、機、料、法、環(huán)和測等多方面進行分析。借用精益工具TQC統(tǒng)計方法中的系統(tǒng)圖形成故障樹分析圖(見圖1)，基于殘余氣體分析(RGA)的試驗結(jié)果，判定封裝內(nèi)部多種氣氛不合格的原因，并進行系統(tǒng)分析。

圖1　封裝內(nèi)部氣氛不符合要求故障樹圖

本文以某產(chǎn)品為研究對象，分別對上述故障樹所列原因進行分析和確認(rèn)，經(jīng)調(diào)查、試驗和討論后得出明確的結(jié)論。

2.1人員因素

本文所提人員其所在范圍是封裝工序，人員因素最終影響的是電路的密封性能。只要現(xiàn)有封裝操作人員持證上崗，嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作，并嚴(yán)格按照相關(guān)質(zhì)量控制要求進行控制，密封后的合格電路自然符合國軍標(biāo)規(guī)定的氣密性要求；因此，人員因素不是RGA殘余氣體分析數(shù)據(jù)不合格的主要原因。

2.2設(shè)備因素

本文涉及的設(shè)備主要是平行縫焊機，其用密封箱直接連接真空烘箱，連接這2個箱體是為了保證未封蓋的產(chǎn)品一旦進入真空烘箱，除了接觸密封箱內(nèi)的惰性氣氛氮氣外，不可能再與其他氣氛接觸。這是使平行縫焊金屬封裝內(nèi)部水汽釋放保持一個合理水平的必要條件。

在正式封裝前，電路應(yīng)放入真空烘箱，經(jīng)過長時間的真空烘烤后，再移入充滿干燥氮氣的密封手套箱內(nèi)完成封裝。產(chǎn)品封裝后粗細(xì)檢漏可以完全滿足國軍標(biāo)要求，而且能達到高質(zhì)量等級項目更高一級的漏率控制要求，即在國軍標(biāo)漏率試驗判定合格值向上再提高半個數(shù)量級的更高指標(biāo)。

此外，為確定封裝設(shè)備自身對封裝內(nèi)部水汽的影響程度，曾使用SM8500型平行縫焊機進行空封管殼內(nèi)部水汽驗證試驗，方法是將3只空管殼經(jīng)真空烘烤后，在密封手套箱內(nèi)完成封裝，再按正常試驗程序完成內(nèi)部水汽含量檢測。結(jié)果是3只樣品內(nèi)部水汽檢測值均<300 ppm，其他多種氣氛基本檢測不到，檢測值均<100 ppm。

綜上所述，現(xiàn)有主流封裝設(shè)備對封裝內(nèi)部水汽及其他多種氣氛的貢獻值一般都很小，設(shè)備因素不是RGA分析數(shù)據(jù)不合格的主要原因。

2.3原材料因素

原材料的影響主要從封裝內(nèi)部材料進行分析。封裝內(nèi)部材料氣體釋放是一個緩慢而復(fù)雜的過程，即使在封裝前已經(jīng)進行了真空烘烤，但是由于存在材料自身的揮發(fā)性、材料表面或內(nèi)部空洞以及材料在粘接或焊接過程中形成空洞等原因，在封裝后這些材料仍然會持續(xù)對封裝內(nèi)部釋氣；此外，在國軍標(biāo)規(guī)定中，通常內(nèi)部水汽含量試驗放在環(huán)境暴露試驗之后，這就使得封裝內(nèi)部的水汽或其他氣氛更容易被檢測到。因此，封裝內(nèi)部材料對水汽及其他氣體的釋放影響很大。

目前，封裝內(nèi)部材料的影響因素主要包括金屬管殼、金屬蓋板及芯組。其中，金屬管殼和金屬蓋板材料對內(nèi)部水汽的影響主要是指其內(nèi)表面鍍層所吸附的水汽和其他氣氛可能會影響RGA試驗結(jié)果。據(jù)調(diào)查，目前合格的金屬外殼制造廠家電鍍的封裝外殼表面吸附水汽含量或其他氣氛已經(jīng)很低，而且在封裝前還應(yīng)進行真空烘烤，因此，對RGA檢測結(jié)果影響甚微；此外，從上述設(shè)備因素中所述的空封管殼試驗結(jié)果來看，在沒有其他內(nèi)部材料的情況下，從數(shù)值上看，單單金屬外殼及蓋板內(nèi)表面所吸附水汽的影響可以忽略。芯組材料則主要包括元器件自身的材料、鍵合用金絲或鍵合用硅鋁絲、在組裝加工中所使用的粘接或焊接材料、以及其他輔助材料(如酒精、丙酮和清洗劑等)等。對這些材料逐一進行分析如下：首先，元器件自身材料在沒有其他特殊材料使用的情況下，對封裝內(nèi)部氣氛貢獻不大；其次，鍵合用金絲或鍵合用硅鋁絲材料單一，其影響也可忽略；再次，輔助材料易揮發(fā)，在真空烘箱內(nèi)的封裝前預(yù)處理中可以有效去除；最后，粘接和焊接材料的成分有絕緣環(huán)氧、導(dǎo)電環(huán)氧和合金焊料等。經(jīng)多輪試驗驗證，這些粘接和焊接材料綜合影響很大，是引起封裝內(nèi)部水汽及其他氣體超標(biāo)的主要原因，這也在多次摸底RGA試驗結(jié)果中有所反映。

2.4操作方法

對封裝內(nèi)部氣氛影響較大的工藝主要是密封封裝工藝。一般情況下，混合電路封裝工藝優(yōu)選平行縫焊氣密性封裝，因為它是最有利于封裝產(chǎn)品內(nèi)部氣氛控制的封裝工藝。而該工藝中有可能影響內(nèi)部氣氛的因素主要是平行縫焊前的真空烘烤；然而，在操作規(guī)程中對于平行縫焊前真空烘烤通常都有嚴(yán)格的控制規(guī)定和要求。因此，操作方法不應(yīng)是RGA分析數(shù)據(jù)不合格的主要原因。

2.5環(huán)境因素

金屬封裝100%完全密封在理論上是無法實現(xiàn)的，必然存在漏孔，只是漏孔大小決定了密封性能的好壞。而在封裝有漏孔的情況下，封裝內(nèi)外必然存在分壓差，會發(fā)生氣體雙向流動，其最終的趨勢是封裝內(nèi)、外各類氣體分壓相同；然而，在正常環(huán)境下只要是密封性能良好的電子封裝產(chǎn)品，其封裝內(nèi)、外氣體流動的過程是非常緩慢的，對內(nèi)部氣氛影響很小。因此，環(huán)境因素不是RGA分析數(shù)據(jù)不合格的主要原因。

2.6測試方法

RGA是通過質(zhì)譜儀對密封電子封裝進行分析的。質(zhì)譜儀是一種能將采樣氣體轉(zhuǎn)換成離子，根據(jù)這些離子的質(zhì)荷比進行分離，然后再分別收集這些離子以報告出其的相對數(shù)量的一種儀器。

在提交RGA試驗前，應(yīng)先根據(jù)不同內(nèi)腔容積選擇正確的程序模塊。選擇不同的程序模塊對試驗結(jié)果有一定的影響，而且這種影響不能用簡單的線性關(guān)系來計算。以水汽含量RGA檢測為例，在0.3～1 mL的內(nèi)腔容積范圍內(nèi)，某檢測中心可調(diào)用的程序模塊只有0.3和1 mL這2種。對于同一個封裝，如果容積計算值更為接近1 mL，卻錯誤地選擇了0.3 mL的程序模塊，就可能造成水汽含量測定值多出幾百ppm，最終導(dǎo)致測試結(jié)果偏差；因此，內(nèi)腔容積計算應(yīng)準(zhǔn)確，否則容易影響RGA分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

綜上所述，雖然測試方法中選擇RGA測試模塊的正確與否對結(jié)果影響較大，但是由于正確計算內(nèi)腔容積的條件很容易達到，所以這也不應(yīng)是RGA分析數(shù)據(jù)不合格的主要原因。

2.7分析結(jié)果

根據(jù)上述原因分析過程，給出初步結(jié)論：封裝內(nèi)部粘接和焊接材料成分復(fù)雜、自身的揮發(fā)性以及存在空洞等因素是引起RGA分析數(shù)據(jù)不合格的要因。

3試驗驗證

為進一步了解粘接和焊接材料對封裝內(nèi)部氣氛的影響結(jié)果和影響程度，進行了專項研究和試驗驗證。

3.1初期方案

根據(jù)工藝方式的不同，封裝內(nèi)部材料大體可分為粘接材料和焊接材料2種。其中，粘接材料又分為絕緣環(huán)氧和導(dǎo)電環(huán)氧粘接材料。為確定普通粘接材料和焊接材料對封裝內(nèi)部氣氛的影響結(jié)果和程度，可以合并進行對比試驗。由于襯底組裝時，基板背面需整面使用粘接或焊接材料，使用的粘接或焊接材料量最大，對封裝內(nèi)部的氣氛貢獻值也最大，對比效果最為明顯，所以，首先選擇了襯底粘接和襯底焊接這2個分組來進行RGA檢測對比試驗。

在樣品選擇和制作時，首先，試驗樣品襯底組裝材料選擇的是行業(yè)內(nèi)普遍使用的常規(guī)粘接材料或焊接材料，其中襯底粘接采用的是5020-1-.005絕緣環(huán)氧膜，襯底焊接采用的是Pb62Sn36Ag2常規(guī)焊膏；其次，試驗中為排除元件組裝材料的影響，樣品未進行元件組裝；再次，氣密性封裝工藝選擇的是平行縫焊，在封裝前均進行了≥10 h的真空烘烤，封裝后樣品加壓檢漏合格；最后，樣品按要求進行了指定的高溫存貯等環(huán)境試驗。

3.2對比檢測數(shù)據(jù)

樣品制作完成并經(jīng)過高溫存貯等環(huán)境試驗后，委托權(quán)威結(jié)構(gòu)進行了RGA檢測，RGA檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1　襯底粘接和襯底焊接樣品RGA檢測數(shù)據(jù)

3.3對比結(jié)論及原因分析

根據(jù)表1的檢測數(shù)據(jù)對比情況，得出結(jié)論如下：1)分組1粘接產(chǎn)品，雖然水汽含量較低且比較一致，能滿足水汽控制要求，但是二氧化碳含量明顯偏高(1%～3%)，因此，不能滿足其他內(nèi)部氣氛(如二氧化碳)的控制要求；2)分組2焊接產(chǎn)品封裝后RGA檢測水汽含量最低為0.14%(即1 400 ppm)，最高為0.32%(即3 200 ppm)，從數(shù)據(jù)上看，明顯偏高，離散性也大。

對上述結(jié)果產(chǎn)生的原因進行分析認(rèn)為：1)襯底粘接產(chǎn)品RGA檢測二氧化碳值高的主要原因是，襯底粘接用的環(huán)氧膜內(nèi)部的環(huán)氧成分緩慢持續(xù)釋放出較多二氧化碳；2)襯底焊接產(chǎn)品RGA水汽檢測值較高且離散性大的原因是，襯底焊接是采用焊膏在大氣環(huán)境下進行高溫焊接，焊接后焊接材料內(nèi)部容易形成數(shù)量不等的空洞，而空洞內(nèi)又含有來不及逸出的水分及其他少量外部氣體，在后期的加工及環(huán)境暴露試驗后，受高溫等破壞作用，空洞破裂造成氣體釋出，因此，RGA水汽檢測值偏高，同時，焊接空洞數(shù)目的多少不一又造成RGA水汽檢測值離散。

3.4補充試驗和結(jié)果

對于除襯底組裝外的其他粘接或焊接材料(主要是元件組裝材料)也進行了一些單項試驗，試驗數(shù)據(jù)和上述數(shù)據(jù)摸底對比后，得出的結(jié)論大致相同，只是材料因成分或數(shù)量不同而結(jié)果存在差異。

3.5驗證試驗最終結(jié)論

從上述結(jié)果可以看出，環(huán)氧粘接材料對內(nèi)部水汽的貢獻值較低，但是環(huán)氧粘接材料對二氧化碳值的貢獻值較高，不能滿足上述某航天專項工程用電子元器件對封裝內(nèi)部多種氣氛控制的技術(shù)要求；而焊接材料對水汽的貢獻值偏高，且離散性大，這是由焊接材料和工藝的特點所決定的，單靠焊接工藝自身的優(yōu)化和改進難以奏效，也不能滿足此項技術(shù)要求。因此，為滿足該技術(shù)要求，應(yīng)尋找正確的對策并采取相應(yīng)的控制措施，提高封裝內(nèi)部水汽及其他多種氣氛的控制水平。

4問題解決方法

4.1總體設(shè)想

根據(jù)上述要因確定的結(jié)論和試驗驗證的結(jié)果，初步確定解決內(nèi)部多氣氛控制問題的總體設(shè)想如下：應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品需求和實際情況，選擇封裝后對封裝體內(nèi)部釋氣少的粘接或焊接材料，并限定此類材料的使用量，同時，制定適當(dāng)?shù)墓に嚳刂拼胧瑏硖岣叻庋b內(nèi)部水汽及其他多種氣氛的控制水平。

由于采用常規(guī)襯底粘接或襯底焊接工藝，內(nèi)部氣氛控制指標(biāo)都已經(jīng)不能滿足高質(zhì)量等級控制的指標(biāo)要求，因此，元件組裝使用的常規(guī)粘接或焊接材料會更加不利于內(nèi)部多種氣氛的控制。

為尋求解決該技術(shù)難題的途徑，研究認(rèn)為在襯底組裝和元件組裝工藝中，應(yīng)盡可能采用不需使用助焊劑、空洞率低的共晶焊接材料替代粘接或錫焊材料，以減少粘接劑或焊膏使用量，提高內(nèi)部氣氛控制水平。

4.2共晶焊接對比試驗

為驗證該解決方法是否正確，制作了共晶焊接樣品，并在完成例行環(huán)境試驗后進行RGA檢測用來驗證。

4.2.1試驗過程和結(jié)果

采用共晶焊接工藝制作了1組樣品，主要是襯底采用共晶焊接，其他組裝也全部采用共晶焊接替代，樣品制作完成并經(jīng)過高溫存貯、壽命等環(huán)境試驗后，進行了RGA檢測，試驗結(jié)果見表2。

表2　共晶焊接樣品RGA試驗結(jié)果

4.2.2結(jié)果分析

將表2的檢測數(shù)據(jù)和前期試驗數(shù)據(jù)進行對比后，認(rèn)為襯底采用共晶焊接，其他組裝也全部采用共晶焊接替代，RGA檢測結(jié)果良好。

考慮到所有組裝材料和工藝都采用共晶替代的話，工藝難度大為提升，工藝控制難，成品率低下，最后確定內(nèi)部多種氣氛控制的較佳方案為：襯底使用共晶焊接，其他尺寸較大、使用材料較多和容易共晶焊接的部分元件采用共晶焊接組裝。

在部分高質(zhì)量等級項目研制過程中，將上述內(nèi)部多種氣氛的控制方法和條件進行了實際應(yīng)用，使這幾個高質(zhì)量等級項目的內(nèi)部多種氣氛RGA檢測都順利通過了權(quán)威機構(gòu)的鑒定試驗。

5結(jié)語

根據(jù)上述研究過程和結(jié)果認(rèn)為，為滿足高質(zhì)量等級項目所要求的水汽≤3 000 ppm，其他氣氛如二氧化碳、氧氣等也應(yīng)控制在≤2 000 ppm的要求，除在工藝、存貯和試驗等過程中盡可能減少水汽或其他氣氛的殘留，如在平行縫焊機手套箱內(nèi)封蓋前，選擇合適的烘烤條件，以保證材料內(nèi)部不良?xì)怏w充分釋放外等，還應(yīng)保證如下控制條件：1)襯底組裝不能使用粘接材料或普通焊錫膏類焊料，襯底組裝應(yīng)采用共晶焊接；2)組裝使用的其他粘接或焊接材料和工藝應(yīng)最大限度使用共晶焊接替代。

參考文獻

[1] Greenhouse H.電子封裝的密封性[M].劉曉輝，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2] 張冬梅.影響QFN封裝器件焊接質(zhì)量的因素[J].新技術(shù)新工藝, 2015(5):141-144.

[3] 談侃侃，等.混合微電路內(nèi)部水汽含量控制技術(shù)[J].微電子學(xué)，2014，44(4)，546-549.

責(zé)任編輯鄭練

Research on Parallel Seam Welding Metal Packaging More Internal Atmosphere Control

LI Shousheng, XIA Junsheng, LI Bo, ZHANG Jing

(East China Institute of Photo-electron ICs, Bengbu 233042, China)

Abstract：With the rapid development of microelectronics technology, some standard or high reliable products’ requirements control of the internal water vapor electronic packaging hase improved, and the control is proposed for a variety of other atmosphere with the sealed harsh requirements, but due to the limitation of material and process, a variety of the sealed the atmosphere contains water vapor control has been the key and difficult point for highly reliable package. The internal atmosphere causes analysis and treatment measures, the analysis of the thick film hybrid integrated circuit is given with a variety of atmosphere control scheme, in order to meet the level H especially space highly reliable products for electronic packaging water vapor in atmosphere and a variety of other high control requirements.

Key words:residual gas analysis, vapor, metal package, seal

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：李壽勝(1974-)，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事厚膜混合集成電路封裝工藝等方面的研究。

中圖分類號：TN 452

文獻標(biāo)志碼:A