AuSn20焊料在集成電路密封中形成空洞的研究*

馬艷艷，趙鶴然，田愛(ài)民，康 敏，李莉瑩，曹麗華

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016）

1 引言

AuSn20是一種常見(jiàn)的無(wú)鉛焊料，常用于集成電路的芯片粘結(jié)和陶瓷外殼密封。當(dāng)Au和Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%和20%時(shí)，在278℃的較低溫度下即可完成共晶反應(yīng)，也不需要助焊劑[1-2]。這種焊料導(dǎo)熱率和剪切強(qiáng)度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料，又以其較高的穩(wěn)定性、耐腐蝕性和潤(rùn)濕性，在高可靠的氣密封裝中應(yīng)用廣泛[3-4]。

空洞是一種較為常見(jiàn)的密封質(zhì)量隱患，它的存在會(huì)使產(chǎn)品的封蓋強(qiáng)度和氣密性降低，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，極易誘發(fā)多種致命的失效模式。高可靠器件對(duì)密封空洞控制有嚴(yán)格要求。AuSn密封過(guò)程復(fù)雜且伴隨著空洞的生成和消散，在反應(yīng)的不同階段空洞產(chǎn)生的機(jī)理并不唯一。空洞形成的影響因素有多種，包括溫度曲線(xiàn)、焊接壓力、原材料表面狀態(tài)、焊料環(huán)設(shè)計(jì)、焊接氣氛等[5-6]。此外，柯肯達(dá)爾效應(yīng)是化合物間形成空洞的一個(gè)重要原因[7-8]。

針對(duì)空洞的形成問(wèn)題，文章闡述了AuSn20焊料在高可靠陶瓷外殼密封過(guò)程中的反應(yīng)過(guò)程，開(kāi)展了空洞的形貌觀(guān)察，討論了幾種典型空洞的微觀(guān)形貌、形成機(jī)理及抑制措施。

2 AuSn20焊料密封反應(yīng)過(guò)程

AuSn20焊料密封反應(yīng)過(guò)程發(fā)生在蓋板（可伐合金）、AuSn20焊料環(huán)、陶瓷管殼之間，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 密封結(jié)構(gòu)示意圖

AuSn20焊料工藝曲線(xiàn)包括升溫AB、保溫BC、升溫CD、保溫DE、降溫EF 5個(gè)階段，如圖2所示。由于A(yíng)uSn20焊料與管殼、蓋板及其鍍層之間有良好的潤(rùn)濕性，一般不易出現(xiàn)由不潤(rùn)濕導(dǎo)致的空洞。同時(shí)，在升溫和保溫階段，管殼、蓋板鍍層會(huì)向熔融焊料中熔解、擴(kuò)散。在降溫階段，焊料從熔融狀態(tài)共晶成為固態(tài)，密封空洞也在這個(gè)階段最終形成。

圖2 密封工藝曲線(xiàn)示意圖

3 空洞觀(guān)察方法

AuSn20焊料環(huán)本身的厚度只有50μm，焊縫內(nèi)空洞的尺寸更小，一般在幾個(gè)微米的量級(jí)。一般采用X射線(xiàn)照相的方式，從宏觀(guān)上整體觀(guān)察焊料環(huán)區(qū)域，給出總體空洞率或單個(gè)空洞尺寸占焊縫設(shè)計(jì)寬度的百分比。此外，也可以采用超聲掃描的方法去探測(cè)密封區(qū)域的空洞。

若需要更為直觀(guān)地觀(guān)察空洞，則必須對(duì)樣品進(jìn)行破壞性物理分析?？梢詫?duì)待觀(guān)察樣品先鑲嵌成規(guī)則樣塊，然后用研磨機(jī)研磨，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后再剖光，然后進(jìn)行SEM觀(guān)察，為了增強(qiáng)觀(guān)察效果，還可以腐蝕、噴金等等。

圖3為樣品研磨位置和觀(guān)察截面的示意圖?？梢越馄实窖心ノ恢?，從觀(guān)察方向1來(lái)觀(guān)察焊縫的端面，得到由焊料環(huán)內(nèi)部到外部的截面圖；也可以解剖到研磨位置2，從觀(guān)察方向2觀(guān)察焊縫的整個(gè)側(cè)面區(qū)域。

圖3 界面觀(guān)察位置

圖4給出了從研磨位置1觀(guān)察到的焊縫端面微觀(guān)結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，大量空洞彌散在焊縫內(nèi)，未呈現(xiàn)集聚狀態(tài)，較大的空洞長(zhǎng)度在60μm左右，較小的空洞不足5μm。空洞均位于焊縫中間區(qū)域，在焊縫與母材界面處未發(fā)現(xiàn)由潤(rùn)濕不良引起的空洞。

圖5給出了另一只電路樣品從研磨位置2觀(guān)察到的焊縫側(cè)面微觀(guān)結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，該電路封蓋焊接過(guò)程中控制較好，焊縫中未見(jiàn)明顯空洞，焊縫的高度約35μm，與焊料環(huán)的初始高度50μm相比略有下降。

圖4 焊縫端面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖5 焊縫側(cè)面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

4 幾種典型空洞

4.1 環(huán)狀空洞

在采用AuSn20焊料環(huán)封蓋的樣品X射線(xiàn)照相圖片上可以發(fā)現(xiàn)幾種密封空洞，其中最典型的是環(huán)狀空洞，如圖6所示。這類(lèi)空洞并非是單個(gè)的，而是非常均勻地出現(xiàn)在焊料環(huán)的四周，分布在位于焊料環(huán)內(nèi)側(cè)、離焊料環(huán)內(nèi)側(cè)邊緣有一段距離的區(qū)域，多個(gè)空洞連接成線(xiàn)，構(gòu)成環(huán)狀。

圖6 X射線(xiàn)觀(guān)察環(huán)狀空洞

因?yàn)楹噶夏毯涂斩葱纬傻倪^(guò)程不易直觀(guān)觀(guān)察到，目前尚沒(méi)有人確切地指出環(huán)狀空洞的形成機(jī)理。很可能是由于焊料在降溫階段存在溫度梯度，環(huán)境溫度先于內(nèi)腔氮?dú)饨档偷焦簿c(diǎn)以下，此時(shí)焊料a端先結(jié)晶凝固，如圖7所示。隨著溫度的繼續(xù)降低，內(nèi)腔氮?dú)鈮簭?qiáng)逐步下降，焊料與蓋板之間的潤(rùn)濕平衡被打破，對(duì)焊料b端產(chǎn)生進(jìn)一步向內(nèi)的趨勢(shì)，直至溫度也達(dá)到共晶點(diǎn)。在爭(zhēng)奪當(dāng)中，空洞在c處長(zhǎng)大。同時(shí)，焊料環(huán)寬度與焊縫寬度差距較大，導(dǎo)致密封過(guò)程中焊料量不足，難以鋪滿(mǎn)密封區(qū)，這也是形成空洞的原因。

圖7 環(huán)狀空洞的形成機(jī)理

一些機(jī)構(gòu)嘗試增加焊料用量，可以起到減弱環(huán)狀空洞的效果，或在密封區(qū)域不變的前提下減小焊縫寬度，可以大幅降低空洞率，不過(guò)這樣也容易導(dǎo)致焊料爬蓋，或因焊料過(guò)多而引發(fā)顆粒噪聲問(wèn)題。也有機(jī)構(gòu)嘗試增加焊接壓力，這對(duì)抑制空洞的形成很有效，但同時(shí)也會(huì)引起焊料內(nèi)溢，為顆粒噪聲埋下隱患。

消除環(huán)狀空洞是一個(gè)系統(tǒng)性工程，需要做好蓋板、焊料環(huán)比例、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用適當(dāng)?shù)暮附訅毫?。首先，在不引起顆粒噪聲的前提下，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)更多的焊料，可以按照等體積法來(lái)計(jì)算：熔化后厚度30μm，熔化后鋪滿(mǎn)密封區(qū)，熔化前焊料環(huán)厚度50μm，推導(dǎo)出理想的焊料環(huán)寬度。進(jìn)一步，考慮到環(huán)狀空洞出現(xiàn)的位置總是在靠近內(nèi)腔的區(qū)域，因此應(yīng)該將焊料環(huán)設(shè)計(jì)在密封區(qū)偏內(nèi)側(cè)的位置，從而有針對(duì)性地對(duì)內(nèi)側(cè)提供充足的焊料。對(duì)于常見(jiàn)的陶瓷外殼，壓力在3～5 N為優(yōu)選。壓力過(guò)小導(dǎo)致縫隙大，焊料熔融后填隙能力差；壓力過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致蓋板變形等問(wèn)題，引發(fā)扇形空洞。

4.2 扇形空洞

另一種比較典型的空洞是扇形空洞，這類(lèi)空洞多出現(xiàn)在焊料環(huán)的轉(zhuǎn)角處，如圖8所示。

圖8 扇形空洞

扇形空洞在大尺寸電路中較為常見(jiàn)，其形成原因主要是：在施加封蓋壓力時(shí)，夾具往往作用在蓋板中心區(qū)域，其下方正是管殼的空腔，這會(huì)導(dǎo)致蓋板發(fā)生輕微變形。大尺寸電路封蓋時(shí)所需施加的焊接壓力也較大，其變形程度也較大，這使得蓋板在轉(zhuǎn)角處翹曲，導(dǎo)致4個(gè)轉(zhuǎn)角處蓋板與管殼之間的距離要比4個(gè)邊及中間區(qū)域大。這導(dǎo)致焊接壓力在焊料上的不均勻分布，如圖9（a）所示。在焊接壓力不足的情況下，轉(zhuǎn)角處焊料流速降低，呈現(xiàn)縱向堆積，如圖9（b）所示。這樣一來(lái)，填滿(mǎn)同樣大小的面積轉(zhuǎn)角處就需要更多的焊料量。但轉(zhuǎn)角區(qū)域的焊料是有限的，焊料缺少的部分就形成了大量空洞。另一種形成扇形空洞的原因是原材料造成的密封壓力不均勻，早期的陶瓷外殼制備工藝不成熟，金屬化密封區(qū)的狀態(tài)差，表現(xiàn)為陶瓷基體的平面度較差，這樣即使提供了相對(duì)均勻的密封壓力，作用在平面度較差的密封區(qū)后也會(huì)形成焊接壓力不均勻的狀況，導(dǎo)致扇形空洞。

解決這類(lèi)空洞的主要方法是避免蓋板發(fā)生翹曲。有的機(jī)構(gòu)采用倒封方式完成密封，將蓋板放置在載物臺(tái)上，管殼在蓋板上，再在管殼背面放置重塊等物體，施加密封壓力，這樣可以避免蓋板形變。

此外，在密封過(guò)程中，給蓋板增加不易形變的墊片也是一個(gè)好方法。這樣，密封壓力首先作用在墊片上，再通過(guò)墊片均勻施加在蓋板上，避免壓力過(guò)大而不均勻?qū)е碌纳w板變形。此外，早些年有研究表明，陶瓷外殼金屬化密封區(qū)的狀態(tài)也很重要，如果做金屬環(huán)扇形空洞就不會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)，若原材料金屬化密封區(qū)的狀態(tài)差，可以在密封區(qū)加裝平面度較高的金屬環(huán)。

圖9 焊料力學(xué)與流體仿真分析

4.3 氣泡狀空洞

圖10給出了一種大量彌散在焊縫區(qū)域中的空洞。這類(lèi)空洞由眾多小的空洞組成，這些空洞在焊料環(huán)外邊緣處開(kāi)始滋生，并向內(nèi)側(cè)蔓延。對(duì)焊縫進(jìn)行剖面觀(guān)察，結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出，大量大小不一的氣泡狀空洞彌散在焊縫中，焊縫的高度甚至高于焊料環(huán)的初始厚度，并且蓋板鍍鎳層與焊縫之間的界面變得不確定。

氣泡狀空洞的形成機(jī)理主要是密封溫度過(guò)高，焊料熔融時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在保持其他條件不變的情況下，將密封峰值溫度從310℃逐步增加，可以觀(guān)察到氣泡狀空洞帶的變化趨勢(shì)。起初只能在靠近密封區(qū)外側(cè)邊緣位置找到個(gè)別微小的氣泡狀空洞；隨著峰值溫度增加到330℃，氣泡狀空洞沿著密封區(qū)外側(cè)邊緣位置開(kāi)始聚集；當(dāng)峰值溫度繼續(xù)增加，氣泡狀空洞帶的寬度開(kāi)始向內(nèi)蔓延，直至鋪滿(mǎn)整個(gè)密封區(qū)。適當(dāng)降低密封溫度可以減少氣泡狀空洞，降低焊縫高度[6]。

此外，在外殼制作工藝中，如果沒(méi)有特別提出排氫要求，在密封時(shí)易轉(zhuǎn)化為焊縫中的空洞。這是因?yàn)樵诟邷孛芊膺^(guò)程中，本體和鍍層有氣體釋放出來(lái)或者污染物裂解形成氣泡。主要應(yīng)對(duì)措施是在密封前預(yù)先高溫烘焙原材料以排除不良因素。

圖10 氣泡狀空洞

圖11 氣泡狀空洞形貌

5 結(jié)論

文章介紹了AuSn20密封陶瓷外殼的過(guò)程中觀(guān)察密封空洞的方法，列舉了環(huán)狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞。

消除環(huán)狀空洞的關(guān)鍵在于做好蓋板、焊料環(huán)比例、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而對(duì)焊料環(huán)內(nèi)側(cè)充分補(bǔ)充焊料，避免空洞。扇形空洞的成因主要是焊料環(huán)轉(zhuǎn)角處受壓力不足，應(yīng)盡量避免蓋板翹曲，從而使密封壓力均勻施加在蓋板、焊料環(huán)上。氣泡狀空洞形成的主要因素是密封峰值溫度，在保證氣密性的前提下采用較低的密封峰值溫度是一個(gè)良好的選擇。