鍍金引線低溫玻璃密封失效分析及其改進(jìn)措施

朱玲華，丁榮崢，肖漢武

（1.無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫214035；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214035）

鍍金引線低溫玻璃密封失效分析及其改進(jìn)措施

朱玲華1，丁榮崢2，肖漢武1

（1.無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫214035；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214035）

氣密性封裝產(chǎn)品的氣密性和氣密可靠性對(duì)產(chǎn)品的長期使用壽命和可靠性是至關(guān)重要的。主要分析了鍍金引線低溫玻璃密封失效的原因，并針對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的引線與玻璃之間存在微裂紋現(xiàn)象進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗(yàn)證，解決了產(chǎn)品密封的一致性和可靠性問題，并為相同結(jié)構(gòu)封裝的密封可靠性水平的提高提供了一定的參考。

低溫玻璃熔封；鍍金引線；氣密性；失效分析

0 引言

集成電路氣密性密封的工藝方式主要有合金焊料熔封、平行縫焊、貯能焊、低溫玻璃熔封、激光焊和熱-超聲焊等。其中，低溫玻璃熔封與合金焊料熔封、平行縫焊相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、裝配效率高、氣密性好和氣密性成品率高等特點(diǎn)，因此，低溫玻璃熔封電路的耐惡劣環(huán)境的能力比塑料封裝電路的更好（較高或較低的工作溫度、更高的濕度環(huán)境等），但是，由于玻璃的機(jī)械強(qiáng)度低于陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，所以低溫玻璃熔封電路的抗機(jī)械沖擊等性能比高溫共燒封裝電路的要弱，故一般用在航空、可靠性要求高的工業(yè)設(shè)備和密封可靠性要求不是特別高的武器裝備中。

玻璃熔封外殼由陶瓷基板、引線框架和將兩者通過熔融燒結(jié)形成密封腔體的玻璃組成，腔體中有芯片、芯片與陶瓷基板粘接的銀玻璃和鍵合硅鋁絲引線。典型的玻璃熔封外殼主要有雙列直插封裝（CerDIP）、小外型封裝（CerSOP/CerSOJ）、扁平封裝（CerFP）和四邊扁平封裝（CerQFP/CerQFJ）等形式，如圖1所示。為了滿足集成電路提出的“更小、更薄、更輕”的表面貼裝要求，低溫玻璃熔封外殼相應(yīng)地發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變，即:引線與引線之間的間隙在縮小，密封腔與外界的玻璃密封寬度也在降低；玻璃熔封外殼的引線框架必然使用細(xì)節(jié)距的刻蝕引線；在玻璃熔封前或熔封后對(duì)引線進(jìn)行鍍覆處理，以保證使用中的可焊性，防止貯存中生銹或遭惡劣環(huán)境腐蝕、氧化[1]；為了消除0.65、0.50 mm等節(jié)距在鍍錫等工藝過程中容易引起相鄰引腳之間的絕緣電阻下降甚至短路的問題，通常采用4J42、4J29等刻蝕引線先鍍鎳-金或者鍍金，封裝后就不必再電鍍，以避免電鍍工藝引起的問題。

圖1 典型的玻璃熔封封裝

密封玻璃的氣密性及其氣密可靠性能夠保護(hù)芯片、互連引線等，防止環(huán)境中水汽等雜質(zhì)的侵入，玻璃與陶瓷基板、引線的結(jié)合強(qiáng)度及耐各種環(huán)境變化（主要是溫度沖擊和溫度高低變化的循環(huán)）的能力，對(duì)于集成電路的長期使用壽命和可靠性是至關(guān)重要的。在低溫玻璃熔封的集成電路中，常常會(huì)出現(xiàn)鍍金引線的CerQFP電路在密封后依據(jù)MILSTD-883J[2]或GJB 548B-2005[3]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行密封檢測(cè)時(shí)全部合格，而經(jīng)過溫度循環(huán)、熱沖擊等篩選后又出現(xiàn)一定數(shù)量的細(xì)漏的現(xiàn)象，并且不同的篩選條件出現(xiàn)的情況也不相同，增加篩選也偶有細(xì)漏出現(xiàn)。

為了提升該類產(chǎn)品的密封可靠性，本文通過對(duì)細(xì)漏失效樣品進(jìn)行解剖分析，找到了細(xì)漏的原因并采取了有針對(duì)性的改進(jìn)措施，對(duì)于提升玻璃熔封CerQFP/CerQFS電路的氣密性和可靠性具有一定的借鑒作用。

1 鍍金引線低溫玻璃密封的典型氣密性失效現(xiàn)象

進(jìn)行氣密性封裝后的集成電路，除了需要進(jìn)行必要的外觀（包括尺寸）檢查、密封篩選之外，還需要進(jìn)行必要的機(jī)械、環(huán)境等可靠性試驗(yàn)和試驗(yàn)后的密封檢測(cè)。機(jī)械和環(huán)境等可靠性試驗(yàn)的項(xiàng)目、所施加的試驗(yàn)應(yīng)力的大小與集成電路的使用環(huán)境和可靠性要求相關(guān)，通常會(huì)依據(jù)產(chǎn)品的詳細(xì)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)來確定。

某型號(hào)集成電路在使用0.50 mm節(jié)距鍍金引線低溫玻璃熔封CerQFP 144外殼密封后，封裝中檢測(cè)氣密性合格，但在依據(jù)GJB 548B-2005方法1010.1溫度循環(huán)[3]或MIL-STD-883J方法1010.8[2]按條件B（-55～125℃）進(jìn)行10次溫度循環(huán)試驗(yàn)后，檢漏時(shí)發(fā)現(xiàn)有個(gè)別產(chǎn)品出現(xiàn)氣密性超標(biāo)，即測(cè)量漏率L1＞1×10-3Pa·cm3/s（He）的現(xiàn)象，進(jìn)一步地做粗漏檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)引線與低溫玻璃的封接處有漏氣點(diǎn)，解剖發(fā)現(xiàn)玻璃與引線鍍金層之間有明顯的裂紋，如圖2所示。

圖2 溫循條件B試驗(yàn)后0.50 mm節(jié)距鍍金引線玻璃熔封CerQFP 144的形貌圖

2 鍍金引線低溫玻璃CerQFP 144漏氣分析

2.1 不同條件下的溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比分析

將溫循試驗(yàn)要求降為條件A（-55～85℃），對(duì)采用密封合格的0.50 mm節(jié)距的鍍金引線低溫玻璃CerQFP 144外殼進(jìn)行封裝的集成電路進(jìn)行10次溫度循環(huán)，檢漏試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)有漏率大于1×10-3Pa·cm3/s（He）的部位，也未發(fā)現(xiàn)有冒泡（粗漏）現(xiàn)象。

將溫循試驗(yàn)要求提高到條件C（-65～150℃），對(duì)采用密封合格的0.50 mm節(jié)距的鍍金引線低溫玻璃CerQFP 144外殼封裝的集成電路進(jìn)行10次溫度循環(huán)試驗(yàn)，檢漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)漏率大于1×10-3Pa·cm3/s（He）的比例增多，粗漏冒泡的比例也增多。

2.2 漏氣集成電路的重新熔封及再次檢漏

首先，將漏氣的鍍金引線的低溫玻璃熔封集成電路經(jīng)過120℃、8 h的烘烤，緩慢地排出粗檢加壓滲入芯腔中的低沸點(diǎn)指示劑（例如:Galden DET指示劑等）；然后，重新將漏氣集成電路進(jìn)行熔封；最后，對(duì)重新熔封的集成電路再次進(jìn)行檢漏，發(fā)現(xiàn)其氣密性指標(biāo)全部合格，說明原有的漏氣部位被重新熔化的玻璃所封堵。這也證明，溫度循環(huán)試驗(yàn)后的密封失效與陶瓷本體無關(guān)，也不是由玻璃中的微細(xì)氣泡引起的，而是由陶瓷-玻璃-引線之間存在的微小漏孔造成的。

2.3 X射線無損分析

采用X射線照相對(duì)漏氣的集成電路進(jìn)行無損照相分析，所得的結(jié)果如圖3所示，并未發(fā)現(xiàn)不符合MIL-STD-883J[2]或GJB 54B-2005方法2012.1[3]所述的缺陷，也未見因玻璃熔密工藝不當(dāng)（例如:低氣壓密封、玻璃軟化點(diǎn)以上停留時(shí)間過長等）所產(chǎn)生的氣孔[3]，故可排除因有機(jī)物等物質(zhì)的污染而導(dǎo)致的金屬引線與低溫玻璃之間或低溫玻璃之間的融合不良所帶來的縫隙、孔洞或微裂紋，結(jié)合2.1節(jié)和2.2節(jié)的漏氣分析，可以判斷漏氣是由于金屬引線與低溫玻璃封接界面出現(xiàn)了問題而造成的。

圖3 X射線照相圖（1/4部分）

2.4 金屬引線與低溫玻璃密封結(jié)構(gòu)

2.4.1 金屬引線與低溫玻璃密封結(jié)構(gòu)的分類分析

對(duì)于玻璃熔封的CerDIP、CerFP、CerSOJ、CerQFJ和CerQFP等封裝形式的外殼，其與低溫玻璃結(jié)合的金屬引線按照其表面涂覆結(jié)構(gòu)的不同可以分為3種類型:鍍純金層的金屬引線（所有表面均有金層）、帶整體覆鋁層的金屬引線和僅在鍵合區(qū)表面局部有覆鋁層（引線側(cè)面通常也有鋁層，但偏?。┒c低溫玻璃熔封部分無鋁層的本體金屬引線，如圖4所示。后兩種密封結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后的漏氣問題。

圖4 金屬引線與低溫玻璃結(jié)合類型解剖圖

2.4.2 金屬引線與低溫玻璃密封匹配性分析

低溫玻璃外殼所用材料有黑色氧化鋁陶瓷、低溫玻璃、金屬引線及其表面鍍覆層，所用材料的熱膨脹系數(shù)如表1所示。從表1中可以看出，低溫玻璃外殼的陶瓷與低溫玻璃之間是屬于壓應(yīng)力封接，充分地利用高強(qiáng)度陶瓷來增強(qiáng)低強(qiáng)度的玻璃而提升外殼抗各種應(yīng)力沖擊的能力。4J42金屬引線的熱膨脹系數(shù)高于4J29金屬引線的熱膨脹系數(shù)（20～400℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)為5.1×10-6/℃），與低溫玻璃、陶瓷的熱膨脹系數(shù)更接近，更為匹配，可獲得最小的封接應(yīng)力，從而獲得良好的密封效果。

表1 低溫玻璃外殼所用材料的熱膨脹系數(shù)

2.4.3 低溫玻璃與金屬引線界面結(jié)合的分析

金屬引線與低溫玻璃之間的氣密性及其長期可靠性除了與前面分析的因素有關(guān)之外，還與金屬引線與低溫玻璃之間的結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)，這可以從玻璃絕緣子金屬外殼的金屬引線通常需要進(jìn)行致密性的表面氧化處理來進(jìn)行解釋[5]，金屬引線的表面致密性氧化層、表面帶有金層和鋁層的金屬引線與低溫玻璃的浸潤和結(jié)合強(qiáng)度是有非常大的差異的。熔封低溫玻璃主要是由PbO-B2O3玻璃和調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)的ZnO·SiO2、ZrO2·SiO2晶粒等填充物組成，在玻璃熔封與引線浸潤的過程中，低溫玻璃非常容易與存在致密、薄層金屬氧化物的金屬引線發(fā)生表面浸潤并形成過渡層，形成粘接強(qiáng)度和可靠性高的封接[6]，從而使得引線與玻璃融為一體，并具有良好的氣密性。

金屬引線覆鋁層表面容易形成一層很薄的氧化層，以及密封設(shè)計(jì)中僅僅是單面覆鋁且將這部分的密封寬度加大，這些都很好地保證了封接強(qiáng)度，增強(qiáng)了密封的可靠性。

雖然金的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，不易氧化，但是金通過處理后形成的Au2O、Au2O3氧化物不穩(wěn)定，會(huì)在400℃左右的高溫下完全還原成Au（各種金屬氧化物完全分解的溫度如表2所示），這就導(dǎo)致在400～450℃的溫度條件下玻璃熔封時(shí)金與低溫玻璃難以形成牢固的過渡層，進(jìn)而導(dǎo)致密封的可靠性差，特別是抗溫度循環(huán)等沖擊性方面表現(xiàn)差，具體表現(xiàn)為隨著溫度范圍的增大，熱應(yīng)力也會(huì)增大，從而導(dǎo)致低溫玻璃與金屬引線鍍金之間產(chǎn)生分層和微裂紋的現(xiàn)象越發(fā)明顯——漏氣比例增多。

表2 各種金屬氧化物完全分解的溫度

對(duì)進(jìn)行溫循條件B試驗(yàn)后有粗漏的0.50 mm節(jié)距鍍金引線玻璃熔封CerQFP 144樣品進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)低溫玻璃與鍍金層之間并沒有形成擴(kuò)散滲透，金與低溫玻璃是依靠氧化鋁陶瓷和低溫玻璃熱膨脹系數(shù)比4J42引線熱膨脹系數(shù)大，熔封冷卻后形成的機(jī)械性壓應(yīng)力而形成密封，在溫度循環(huán)、熱沖擊中很容易使金層與玻璃分層，如圖5所示。

圖5 溫循后鍍金引線玻璃熔封漏氣與非鍍金合格產(chǎn)品的對(duì)比分析

3 引線與玻璃的可靠性封接與改進(jìn)

針對(duì)細(xì)節(jié)距、較窄密封寬度的低溫玻璃密封產(chǎn)品出現(xiàn)的密封可靠性差的問題，在不增加封裝尺寸——密封寬度的情況下，可以通過改善密封設(shè)計(jì)和引線結(jié)構(gòu)等方面來改進(jìn)密封的可靠性。

根據(jù)上述分析可知，本體引線部分經(jīng)過溫循后仍能很好地密封（融合性較好），而鍍金引線溫循后漏氣。為了改善引線與玻璃的封接強(qiáng)度及消除0.65、0.50 mm等節(jié)距在鍍錫等工藝過程中容易引起相鄰引腳之間的絕緣電阻下降甚至短路的問題，可以選擇部分鍍金。由于本體4J42金屬引線進(jìn)行預(yù)氧化處理后能形成薄且致密的氧化膜，可以與玻璃進(jìn)行很好的浸潤，并且該合金的熱膨脹系數(shù)和低溫玻璃的熱膨脹系數(shù)相近，因此，玻璃外殼在進(jìn)行溫度循環(huán)時(shí)能夠承受相應(yīng)的應(yīng)力，從而保證其封接完好，不會(huì)出現(xiàn)分層及微裂紋問題，所以可以采取在需要與玻璃封接的引線部分不鍍金，引線其他部分鍍金的措施，這樣既可以保證密封性又可以防止玻璃熔封后因電鍍引起的絕緣電阻下降或短路的問題，同時(shí)也可以降低玻璃中的孔隙率和空隙尺寸、減少電鍍前處理時(shí)的玻璃水解。改進(jìn)效果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)0.50 mm節(jié)距的鍍金引線玻璃熔封CerQFP 144解剖圖（局部）

采用改進(jìn)后的0.50 mm節(jié)距鍍金引線玻璃熔封CerQFP 144外殼封裝的集成電路，仍然按條件B（-55～125℃）進(jìn)行10次溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后該電路的檢漏均達(dá)到了測(cè)量漏率L1≤1×10-3Pa·cm3/s（He）的要求，證明引線局部鍍金對(duì)改善封接后的長期氣密性是有效的。

4 結(jié)束語

鍍金引線低溫玻璃密封失效的原因在于該外殼結(jié)構(gòu)中引線鍍金層與低溫玻璃之間的結(jié)合力弱，二者之間不能形成一個(gè)長期可靠的封接界面。本文針對(duì)細(xì)節(jié)距鍍金引線低溫玻璃熔封存在的問題，針對(duì)性地提出了4J42等合金引線采用局部電鍍金工藝，使其與低溫玻璃熔封部分無需鍍金，該區(qū)域引線燒結(jié)前適當(dāng)?shù)仡A(yù)氧化，使低溫玻璃和引線之間形成良好的浸潤性密接的改進(jìn)措施，從而避免了細(xì)節(jié)距低溫玻璃熔封集成電路電鍍（鍍金或鍍錫）過程中容易出現(xiàn)的絕緣電阻下降甚至短路的問題。

[1]朱奇農(nóng)，馬莒生，唐祥云.提高金屬—玻璃封裝集成電路外殼的可靠性途徑[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，1995，13（5）:19-24.

[2]微電子器件試驗(yàn)方法和程序:MIL-STD-883J[S].

[3]信息產(chǎn)業(yè)部電子第四研究所.微電子器件試驗(yàn)方法和程序:GJB 548B-2005[S].

[4]丁榮崢.低溫玻璃高可靠氣密密封[J].微電子技術(shù)，1994，22（2）:15-20.

[5]韓強(qiáng).對(duì)玻璃與金屬封裝外殼氣密性的認(rèn)識(shí)[J].電子與封裝，2003，3（1）:49-52.

[6]許麗清，陳宇寧.可伐合金處理工藝對(duì)微晶玻璃-金屬封裝外殼可靠性的影響[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2014，1（4）:400-404.

Seal Failure Analysis and Improvement Measures of Low Temperature Glass with Gold Plated Lead

ZHU Linghua1，DING Rongzheng2，XIAO Hanwu1
（1.Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.，Ltd.，Wuxi 214035，China；2.The 58th Research Institute of CETC，Wuxi 214035，China）

The hermeticity and hermetic reliability of hermetic package products are of great importance to their long service life and reliability.The reasons of the seal failure of low temperature glass with gold plated lead are analyzed，andthe structure optimization and verification are carried out for the micro crack between the lead and the glass found in the analysis process，so the consistency and reliability of the sealing of products are solved，which provides a reference for the improvement of sealing reliability of packages with the same structure.

low temperature glass sealing；gold plated lead；hermeticity；failure analysis

TN 305.94

A

：1672-5468（2017）02-0024-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.006

2016-07-28

朱玲華（1987-），女，江蘇大豐人，無錫中微高科電子有限公司助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b工藝及質(zhì)量管理。