小尺寸器件氣密性封裝工藝的水汽控制

嚴(yán)雨寧 沈娟 王君 陳杰

南京中旭電子科技有限公司，江蘇南京 210000

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)電子器件的可靠性要求越來(lái)越高。氣密封裝能夠有效隔絕器件內(nèi)部芯片與外界環(huán)境，排除外界干擾，保證了產(chǎn)品的可靠性，并被廣泛地應(yīng)用于各種應(yīng)用。但其內(nèi)部的水汽含量會(huì)直接影響產(chǎn)品的電性能和可靠性，所以?xún)?nèi)部水汽含量控制變得尤為重要。

《GJB597 半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》[1]及 《GJB548 微電子器件試驗(yàn)方法和程序》[2]規(guī)定：完成所有篩選試驗(yàn)之后的器件，其內(nèi)部水汽含量在100℃條件下不得超過(guò)5000ppm。以往受到檢測(cè)設(shè)備的限制，對(duì)于腔體體積小于0.1mm3的器件無(wú)法進(jìn)行水汽檢測(cè)。但目前，通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的研究攻關(guān)，已經(jīng)能夠?qū)η惑w體積小于0.1mm3的器件進(jìn)行水汽檢測(cè)，故對(duì)小尺寸器件的水汽控制提出了明確要求。

對(duì)于小尺寸器件而言，由于內(nèi)腔較小，總體內(nèi)腔氣體較少，所以很低的水汽就會(huì)造成水汽檢測(cè)超標(biāo)，內(nèi)部水汽控制存在難度。故本文針對(duì)小尺寸器件導(dǎo)電膠裝片、金錫合金封裝的常見(jiàn)工藝提出了水汽控制的措施。

二、水汽含量的來(lái)源及其影響

器件水汽含量來(lái)源主要有以下三方面因素：

1、器件內(nèi)部材料含有水汽，在后續(xù)篩選使用的高溫環(huán)境中逐漸釋放，導(dǎo)致內(nèi)腔水汽超標(biāo)；

2、封裝環(huán)境控制不足，氮?dú)饧兌炔桓邔?dǎo)致水汽含量不合格；

3、器件密封性能差，無(wú)法完全隔絕外部環(huán)境，致使外部環(huán)境的水汽滲入殼體內(nèi)部。

水汽含量較高時(shí)，芯片表面的水會(huì)引起器件電性能的劣化，腐蝕金屬化系統(tǒng)，降低器件可靠性，并最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

在電性能劣化方面，主要原因是水汽會(huì)在芯片形成帶有正、負(fù)離子的水膜，離子導(dǎo)電導(dǎo)致漏電流增加，參數(shù)超差，甚至失效。

在腐蝕金屬化系統(tǒng)方面，主要原因是器件芯片與外引線(xiàn)連接是采用細(xì)的鋁線(xiàn)鍵合的方法形成互連。較高的水汽會(huì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生電解，對(duì)鋁系統(tǒng)造成腐蝕，導(dǎo)致電路開(kāi)路。

三、水汽含量控制措施

1、原材料控制

金錫合金倒置型封裝工藝主要原材料包括芯片、管殼、芯片粘接材料導(dǎo)電膠、鍵合材料，以及封裝材料金錫合金焊片。由于水分子的親和力及與固體表面之間的吸引力作用，空氣中水分子會(huì)容易吸附在原材料表面。陶瓷管殼的表面很粗糙，凹凸不平，而凹陷處更容易積聚水分子。

所有原材料的儲(chǔ)存環(huán)境應(yīng)對(duì)濕度進(jìn)行控制，防止過(guò)多水汽吸附。

芯片和管殼在使用前通過(guò)烘焙去除材料表面吸附的水汽，烘焙可以在充高純氮?dú)饣虺檎婵蘸嫦鋬?nèi)進(jìn)行。一般烘焙的溫度越高，真空度越低，時(shí)間越長(zhǎng)，效果越好。因此，在不影響材料性能和可靠性的條件下，盡量提高烘焙溫度，以達(dá)到更好的效果。同時(shí)，最好選擇充氮?dú)夂统檎婵斩呓Y(jié)合，以真空烘烤為主，周期性充氮?dú)獬檎婵?，可以保證真空環(huán)境下更低的水汽含量，確保將水汽和氧氣等從產(chǎn)品表面吸出。

芯片粘接材料—導(dǎo)電膠高溫下釋放氣體，選擇高溫下失重更小的高溫導(dǎo)電膠，并在裝片后進(jìn)行充分固化?？紤]真空下對(duì)導(dǎo)電膠進(jìn)行烘焙會(huì)使導(dǎo)電膠內(nèi)外壓差較大，氣流擾動(dòng)大，容易在導(dǎo)電膠表面出現(xiàn)孔洞，故選擇在高純氮?dú)獾暮嫦鋬?nèi)進(jìn)行烘焙。

2、封裝環(huán)境控制

封裝臺(tái)操作箱內(nèi)通入的是99.999%的高純度氮?dú)猓硐肭闆r是可以滿(mǎn)足水汽低于5000ppm 的要求。但是，實(shí)際器件內(nèi)部水汽含量往往偏高。經(jīng)分析，操作箱內(nèi)氮?dú)鈮簭?qiáng)不高時(shí)，大氣中水汽會(huì)通過(guò)操作臺(tái)、操作手套的細(xì)小的孔洞進(jìn)入操作箱，并附著在操作箱內(nèi)壁和工裝夾具的表面，然后操作時(shí)緩慢釋放，導(dǎo)致操作箱內(nèi)水汽含量升高。同時(shí)，由于這種封裝爐的內(nèi)部氣氛較難控制，需要不斷地輸入高純度且干燥的氮?dú)獠拍鼙ＷC密封工藝實(shí)現(xiàn)。為了避免工藝控制難度過(guò)大和資源浪費(fèi)等問(wèn)題，以真空/氮?dú)夤簿t代替封裝臺(tái)，共晶爐以自動(dòng)化方式替代原來(lái)的手動(dòng)方式，去除操作手套，避免操作手套高溫老化引起的漏氣，并采用計(jì)算機(jī)控制運(yùn)行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫度的工藝曲線(xiàn)并記錄存儲(chǔ)，能夠?qū)Τ檎婵?、加熱、充惰性氣體、正壓、排氣等功能進(jìn)行設(shè)置及控制。

為了嚴(yán)格控制共晶爐內(nèi)的水汽含量，在關(guān)閉設(shè)備前，緊閉共晶爐并充入氮?dú)?，保證爐內(nèi)壓強(qiáng)高于外部壓強(qiáng)，防止微量水汽進(jìn)入附著在共晶爐內(nèi)部。同時(shí)，在封裝前對(duì)共晶爐及爐內(nèi)工裝夾具進(jìn)行高溫烘焙，去除水汽。

3、封裝工藝控制

由于小尺寸器件的封裝沿相對(duì)較窄，人工操作難度較大，焊料過(guò)多會(huì)落入腔體形成多余物，焊料過(guò)少又會(huì)導(dǎo)致密封缺陷，引入水汽。故通過(guò)對(duì)比封裝效果，選用最佳尺寸的成型金錫焊環(huán)替代金錫焊料，控制焊料用量。采用倒置封裝替代正置加熱，既避免焊料落入腔體，又降低了裝片區(qū)域的加熱溫度，減少導(dǎo)電膠水汽釋放及老化。

在封裝過(guò)程中，如果焊片或封裝沿表面存在氧化膜、粉塵沾污或封裝位置存在未排出的氣泡，就會(huì)阻礙金屬相互滲透，留下的縫隙冷卻后形成空洞。隨著器件的使用，這種空洞會(huì)引發(fā)器件漏氣，導(dǎo)致水汽引入產(chǎn)品失效。所以，封裝前在超凈工作臺(tái)內(nèi)用顯微鏡鏡檢封裝沿與金錫焊環(huán)表面，如存在多余物，用高純氮?dú)獯迪?，不能吹洗的附著多余物可用撥針撥?dòng)或用細(xì)小的棉球擦拭，然后再用高純氮?dú)獯党?。在封裝過(guò)程中使用模具將蓋板、焊環(huán)和底座依次放入后，用壓塊對(duì)底座施加一定的壓力，以便排出封裝位置氣泡，使底座跟蓋板更好的連接。為了找到合適的壓塊重量，采用不同重量的壓塊放在模具上，對(duì)電路施加壓力，封裝結(jié)束后，對(duì)封裝的電路進(jìn)行密封和X 光檢查，選擇密封性更好、空洞率更低的壓塊重量。

四、試驗(yàn)

表1 大管殼封裝條件對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的器件殼體尺寸為3.6mm×4.5mm× 1.5mm；蓋板尺寸為3.4mm×3.4mm×0.25mm；金錫焊料預(yù)成型焊片選取尺寸為3.4mm×3.4mm×0.05mm的Au80Sn20 合金焊片[3]；器件的內(nèi)腔體積為0.004cm3。

將蓋板、焊片和器件依次放入定位夾具內(nèi)，壓入壓塊，放入共晶爐，經(jīng)過(guò)抽真空充氮、加熱、降溫過(guò)程，完成整個(gè)密封過(guò)程。加熱曲線(xiàn)如圖1 所示。

小尺寸器件的內(nèi)腔體積小，內(nèi)部的氣體總量也減小，只要有一點(diǎn)水汽含量，比例就會(huì)很高。封裝時(shí)產(chǎn)品倒扣放置在夾具中，并在上方施加向下的力，所以封裝前如果抽真空加氮的時(shí)間或次數(shù)不夠，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔中本來(lái)的空氣和導(dǎo)電膠釋放的水汽不能完全排出，所以真空和充氮的時(shí)機(jī)非常重要。為了確定合適的抽真空充氮的方式，進(jìn)行試驗(yàn)比較內(nèi)部水汽含量及封裝效果，結(jié)果如表1 所示。

由表1 可見(jiàn)，試驗(yàn)2 的氣體換置方式最佳。根據(jù)試驗(yàn)1、2 結(jié)果分析，真空烘焙有利于材料、設(shè)備表面吸附的水汽排出；根據(jù)試驗(yàn)2、3 結(jié)果分析，由于氣體置換需要時(shí)間，所以如果在封裝溫度時(shí)才充入氮?dú)鈺?huì)導(dǎo)致內(nèi)部氮?dú)獠蛔悖罱K水汽比例上升。

以50 只器件為一批進(jìn)行封裝試驗(yàn)。封裝后按照GJB548 方法1014 要求進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，無(wú)漏氣現(xiàn)象，合格率100%。隨機(jī)抽取30 只器件，按照GJB548 方法1010 要求進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件-65℃～+150℃、保溫10min、循環(huán)200 次，溫度循環(huán)后外觀(guān)鏡檢和檢漏均合格，合格率100%。隨機(jī)抽取9 只器件按照GJB548 方法1018 要求進(jìn)行內(nèi)部水汽含量檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，所有器件在歷經(jīng)各類(lèi)溫度試驗(yàn)后水汽均低于5000ppm。

表2 內(nèi)部氣氛測(cè)試結(jié)果

五、結(jié)論

采用金錫焊環(huán)封裝工藝時(shí)，通過(guò)封裝溫度、氣體壓力以及材料控制，可以使小尺寸器件的內(nèi)部水汽小于5000ppm。