金錫鍍層在CSP 氣密封裝中的應(yīng)用及其可靠性

李亞飛，王宇翔，籍曉亮，溫桎茹，米佳，汪紅兵，郭福

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶,404100；2.北京工業(yè)大學(xué),材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京,10024)

0 序言

隨著電子器件的可靠性要求越來越高，微小尺寸器件的氣密性封裝技術(shù)被越來越廣泛的研究和應(yīng)用[1-2].目前微小尺寸器件的封裝形式主要采用芯片級(jí)尺寸封裝(chip scale packaging,CSP)[3]，在CSP 器件的氣密性封裝結(jié)構(gòu)中，使用高溫共燒陶瓷作為載體或基板，而管帽則由金屬材料制成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部芯片的有效保護(hù)[4].Au-Sn 共晶焊料由于具有優(yōu)異的焊接性能和力學(xué)性能[5]，成為CSP 器件封裝系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)金屬管帽與陶瓷基板之間氣密性可靠互連的首選材料[6].

Au80Sn20 共晶釬料的熔點(diǎn)為278 ℃，釬焊溫度達(dá)到了300～ 310 ℃，可以替代熔點(diǎn)在280～360 ℃內(nèi)的高熔點(diǎn)鉛基合金釬料，并且能夠承受較高的處理溫度，保證良好的耐腐蝕性和抗蠕變性.Au80Sn20 共晶合金由兩種金屬間化合物ζ 相和δ/AuSn 相組成，具有較大脆性，用常規(guī)的方法難以加工成形[7].常用的制備技術(shù)有預(yù)成形片法[8]、絲網(wǎng)印刷法[9]、蒸發(fā)/濺射沉積法[10]和電鍍沉積法[11-12]等.

預(yù)成形焊片法采用熔鑄增韌工藝、疊層冷軋工藝或機(jī)械合金化工藝制備Au-Sn 共晶焊料，但是合金成形困難，加工過程易氧化；絲網(wǎng)印刷法是將焊膏印刷在封裝焊盤的金屬化層上，通過回流熔融形成Au-Sn 共晶合金，這種方法對(duì)印刷質(zhì)量要求較高，回流時(shí)易形成空洞；蒸發(fā)/濺射沉積法通過分層沉積不同厚度的金層與錫層(或Au-Sn 混合層)，這種方法需要使用真空系統(tǒng)，存在設(shè)備昂貴、加工周期長、材料利用率低等問題，不適合大規(guī)模生產(chǎn)；電鍍沉積法利用電化學(xué)方法將Au 和Sn 離子在基體表面實(shí)現(xiàn)沉積,可以精確控制鍍層的厚度及圖形，具有設(shè)備簡單、成本低廉、工藝成熟、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢.

采用電鍍沉積法在陶瓷基板上制作了金錫鍍層，并對(duì)鍍層質(zhì)量進(jìn)行了表征分析，通過熔封曲線的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了CSP 器件的氣密性封裝，對(duì)金錫焊料的工程應(yīng)用、工藝優(yōu)化及封裝結(jié)構(gòu)可靠性具有重要意義.

1 試驗(yàn)方法

與其它方法相比，金錫分層電鍍沉積法可控性強(qiáng)，能夠精確控制Au 和Sn 元素成分比例，因此采用電鍍沉積方法在高溫共燒陶瓷(HTCC)基板上制備了金屬層，層結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中W 層作為陶瓷基板上的黏附層，Ni-Co 則起到了擴(kuò)散阻擋層和浸潤層的作用.通過分層電鍍沉積不同厚度的金層與錫層，組成Au80Sn20(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)共晶釬料，為了實(shí)現(xiàn)該比例，控制金層和錫層的厚度比為1.5∶1.金/錫/金共晶焊料層總厚度設(shè)計(jì)為12 μm，另外Au 元素和Ni 元素之間無限互溶，進(jìn)一步加強(qiáng)了鍍層之間的浸潤，表層的金則起到了抗氧化的作用.

圖1 CSP 封裝系統(tǒng)的鍍層結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electroplated lay in CSP packaging system

為了評(píng)估金/錫/金鍍層質(zhì)量對(duì)互連界面的影響，分別選取兩種鍍層的基板進(jìn)行金相表征和顯微組織分析，顯微組織分析采用FEI 公司的環(huán)境掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM,Quanta 200)，并利用其附帶的EDAX 能譜儀進(jìn)行界面顯微元素分析.

為了研究Au-Sn 合金鍍層質(zhì)量對(duì)熔封效果的影響，將電鍍后的高溫共燒陶瓷基板置于320 ℃加熱臺(tái)回流30 s，對(duì)金/錫/金鍍層的表面狀態(tài)和橫截面進(jìn)行觀察，確認(rèn)Au-Sn 鍍層質(zhì)量.此處CSP 器件封裝管帽采用可伐合金材料沖壓而成，其與基板的熔封在真空回流爐中實(shí)現(xiàn)，先抽真空，后充入高純氮?dú)?，以使?fàn)t腔均勻快速升溫，封裝回流曲線如圖2 所示.焊接工藝設(shè)置了預(yù)熱階段，預(yù)熱至120 ℃并保持60 s，然后繼續(xù)升溫至310 ℃，保溫90 s 后空冷至室溫.

圖2 管帽封裝回流曲線Fig.2 Soldering curve used for cap packaging

回流完成后，對(duì)管帽與陶瓷基板的互連界面進(jìn)行顯微組織分析，同時(shí)對(duì)封裝好的器件進(jìn)行加壓檢漏和熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為-55～ 85 ℃.采用SEM 表征熱循環(huán)之后互連界面的微觀組織變化，進(jìn)而評(píng)估金和錫鍍層對(duì)管帽封裝熱循環(huán)可靠性影響.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 陶瓷基板金屬鍍層的顯微組織

圖3 為電鍍完成后陶瓷基板表面的金屬鍍層顯微形貌.圖3a 為鍍層質(zhì)量差的陶瓷基板表面，由圖可以看出，金/錫/金鍍層質(zhì)量差主要體現(xiàn)為①兩側(cè)金鍍層厚度差距大，上側(cè)金鍍層較薄，僅有～ 2 μm，而下側(cè)金鍍層較厚，厚度為～ 6 μm；②下側(cè)金層出現(xiàn)了孔洞，而且孔洞出現(xiàn)在金層和錫層之間，這說明金/錫/金鍍層的層間結(jié)合力差.與之相比，圖3b 顯示的陶瓷基板上側(cè)金/錫/金鍍層的質(zhì)量優(yōu)良，兩側(cè)金鍍層厚度差較小，上側(cè)金鍍層約為～ 3 μm，下側(cè)金鍍層厚度約為～ 4 μm，而且鍍層的界面處未發(fā)現(xiàn)孔洞.

圖3 電鍍后陶瓷基板上金屬層界面顯微組織和元素分布Fig.3 Microstructures of electroplated metallic layer and elemental distribution maps on the surface of HTCC.(a) poor electroplated layers;(b) good electroplated layers

2.2 陶瓷基板金屬鍍層熔融后的顯微組織

為了研究鍍層質(zhì)量對(duì)金/錫/金熔封過程的影響，進(jìn)而闡明陶瓷基板上金屬鍍層的互連冶金過程，采用320 ℃加熱臺(tái)對(duì)陶瓷基板首先進(jìn)行熔融處理.圖4 為熔融完成后兩種陶瓷基板表面的金相顯微形貌，由圖4a 可知，金/錫/金鍍層質(zhì)量差的基板鍍層熔融后，表面質(zhì)量差，局部區(qū)域出現(xiàn)凹陷不平狀，并伴有灰褐色斑塊浮現(xiàn).與之相比，金/錫/金鍍層質(zhì)量優(yōu)良的基板的鍍層熔融后，表面光亮飽滿，富有金屬光澤，并未看到凹陷.在局部區(qū)域甚至可以看到Au-Sn 的共晶組織，如圖4b 所示，因此金/錫/金電鍍層的質(zhì)量對(duì)陶瓷基板熔融后的形貌與組織產(chǎn)生顯著的影響.

為了深入分析金/錫/金電鍍層的熔融過程，對(duì)熔融后陶瓷基板上側(cè)的橫截面組織進(jìn)行了SEM 表征，結(jié)果如圖5 所示.可以看出，質(zhì)量差的金/錫/金電鍍層熔融之后，上側(cè)的Au-Sn 共晶層變得很薄，僅有～ 4 μm，這對(duì)應(yīng)了圖4a 中陶瓷基板表面的凹陷部分.與之相比，質(zhì)量優(yōu)良的金/錫/金電鍍層熔融之后，形成了良好的Au-Sn 共晶組織，如圖5b 所示，共晶層整體厚度均勻，與熔融前金/錫/金鍍層厚度一致，約為11 μm(圖3b).

圖5 熔融后陶瓷基板上金屬層界面顯微組織與元素分布Fig.5 Microstructures and elemental distribution of electroplated metallic layer on HTCC after melting.(a) poor electroplated layers;(b) good electroplated layers

考慮到金/錫/金電鍍層熔融是一個(gè)連續(xù)升溫的過程，而Au-Sn 發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度是278 ℃，因此在溫度上升至320 ℃的過程中，中間的錫鍍層會(huì)首先發(fā)生熔化，形成一個(gè)“熔池”；熔化的錫會(huì)溶解金層，形成Au-Sn 化合物，但是當(dāng)流動(dòng)的錫熔體遇到鍍層界面的孔洞時(shí)，沒有金溶解，這就導(dǎo)致錫熔體流動(dòng)到基板的其它地方，造成該處鍍層變薄，凝固后出現(xiàn)凹陷.

以上分析進(jìn)一步說明，與傳統(tǒng)Au-Sn 共晶焊不同，此處使用分層電鍍方法制備的金/錫/金鍍層并沒有直接生成Au-Sn 共晶組織，而是在升溫過程中首先熔化的錫鍍層溶解固態(tài)的金鍍層，形成Au-Sn 間化合物；當(dāng)溫度高于共晶溫度278 ℃時(shí)，金/錫/金鍍層才會(huì)迅速液化，發(fā)生共晶反應(yīng)；隨后冷卻過程中，由液相中生成ζ 相和δ 相AuSn，ζ 相和δ相以層片狀排列，構(gòu)成共晶組織，如圖5b 所示.表1 是圖5b 中共晶層的兩相的能譜分析結(jié)果，由此可知，圖5b 中淺色的組織是ζ 相，深色的組織是δ 相(AuSn).對(duì)比圖5a 和圖5b 可知，質(zhì)量較差的金/錫/金鍍層經(jīng)歷熔融和凝固之后，雖然生成了淺色的ζ 相和深色的δ 相，但其并沒有形成層片狀共晶組織，這說明金/錫/金鍍層的質(zhì)量直接影響熔封之后AuSn 共晶組織的形態(tài)，進(jìn)而影響陶瓷基板與金屬管帽之間的互連結(jié)果與可靠性.

表1 圖5b 中Au-Sn 化合物的成分(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Au-Sn intermetallic compounds in Fig.5b

2.3 管帽與陶瓷基板封接后的界面組織分析

CSP 封裝結(jié)構(gòu)的微腔保護(hù)了芯片的工作區(qū)域不受外界濕氣和電磁的干擾，因此封裝結(jié)構(gòu)中管帽和陶瓷基板的互連可靠性關(guān)系到封裝器件是否可以正常工作.圖6a 是CSP 器件封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖，沖壓制作的可伐合金管帽與電鍍后的HTCC 基板上的Au-Sn 焊料環(huán)熔封焊接，封裝回流曲線如圖2 所示，采用緩慢升溫的方式進(jìn)行器件熔封，焊接峰值溫度為310 ℃，保溫90 s.圖6b 是管帽與陶瓷基板互連處的SEM 表征與相應(yīng)的界面各元素分布的能譜面掃描結(jié)果.陶瓷基板上制備了質(zhì)量優(yōu)良的金/錫/金鍍層(圖3b)，將可伐合金管帽與基板壓在一起，然后升溫實(shí)現(xiàn)連接.表2 是與圖6b 對(duì)應(yīng)的界面Au-Sn 共晶層的相組成分析結(jié)果.根據(jù)界面的SEM 形貌(圖6b)和相分析(表2)可知，可伐管帽和HTCC 基板之間形成了良好的連接，在Au-Sn 共晶焊料層內(nèi)生成了ζ 相和δ/(Au,Ni)Sn 相，其中(Au,Ni)Sn 相主要分布在兩側(cè)，中間則是ζ 相和富Sn 相.

表2 圖6b 中Au-Sn 共晶層相成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Au-Sn intermetallic compounds in Fig.6b

圖6 可伐管帽與基板互連界面處的顯微組織與元素分布Fig.6 Microstructures and elemental distribution of interconnection between Kovar cap between HTCC substrate.(a) cross sectioned map of CSP component;(b) SEM micrograph and teelemental distribution maps

根據(jù)2.2 節(jié)的分析，當(dāng)溫度升高時(shí)，中間的錫鍍層首先發(fā)生熔化，由中間向兩側(cè)溶解金層；溫度升高至Au-Sn 共晶點(diǎn)以上，Au-Sn 之間發(fā)生共晶反應(yīng)，金/錫/金鍍層快速液化，進(jìn)而溶解可伐合金鎳層，形成ζ 相和δ/AuSn 相，其中由于金和鎳是無限互溶的，鎳會(huì)進(jìn)入Au-Sn 相的晶格內(nèi)，形成(Au,Ni)Sn界面金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)可伐合金引腳與陶瓷基板的互連.

為探究不同封裝回流曲線對(duì)Au-Sn 共晶焊料封接效果的影響，將預(yù)熱溫度和峰值溫度分別提高至220 和330 ℃，同時(shí)提高了升溫速率，但是將在峰值溫度的保溫時(shí)間縮短至30 s，改進(jìn)后封裝回流曲線如圖7 所示.

圖7 改進(jìn)后管帽封裝回流曲線Fig.7 Soldering curve used for cap packaging

圖8 是采用圖7 所示的曲線獲得的管帽-基板互連界面的微觀組織形貌和面能譜分析.改變封裝回流曲線之后，可伐管帽與HTCC 基板之間也獲得了良好的互連；但采用圖7 所示的曲線，共晶焊料層的組織形態(tài)發(fā)生了變化，即共晶焊料層內(nèi)出現(xiàn)了明顯的分層，中間沒有錫剩余.結(jié)合表3 所示的相成分分析，此時(shí)共晶焊料層由δ/(Au,Ni)Sn—ζ 相—δ/(Au,Ni)Sn 夾層結(jié)構(gòu)組成.

表3 圖8 中Au-Sn 共晶層相成分(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Au-Sn intermetallic compounds in Fig.8b

圖8 改進(jìn)后可伐管帽與基板互連界面處的顯微組織與元素分布Fig.8 Microstructures and elemental distribution of interconnection between Kovar cap and HTCC substrate

對(duì)比兩種曲線獲得的互連界面組織，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接峰值溫度為310 ℃時(shí)(圖2)，金和錫之間反應(yīng)并不完全，導(dǎo)致中間錫層仍有錫殘余；當(dāng)焊接峰值溫度為330 ℃時(shí)(圖7)，雖然保溫時(shí)間由90 s 縮短至30 s，中間錫層已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變成了Au-Sn 化合物ζ 相，說明此時(shí)金和錫之間反應(yīng)完全.根據(jù)前述管帽封接過程中金/錫/金鍍層共晶冶金機(jī)理，Au-Sn 共晶反應(yīng)需要快速完成，避免升溫過程中熔融錫過多消耗.采用圖2 所示曲線時(shí)，由于升溫速率慢，熔融的錫在溶解金形成富錫金屬間化合物的同時(shí)，其熔池界面處的熔點(diǎn)也在升高，導(dǎo)致其溶解金能力下降，結(jié)果中間錫層沒有反應(yīng)完全，仍有大量的錫殘留.因此相對(duì)于保溫時(shí)間，峰值溫度對(duì)Au-Sn 熔封的結(jié)果影響更大，采用快速升溫方法達(dá)到更高的焊接溫度所產(chǎn)生的熔封效果更好.

兩種曲線獲得的管帽-基板界面均出現(xiàn)了δ/(Au,Ni)Sn 相偏聚在可伐管帽引腳一側(cè)，這與圖5b所示的陶瓷基板直接熔融之后形成的層片狀共晶組織不同，其原因是管帽引腳鎳層部分溶解進(jìn)入δ/AuSn 相所致，表明金錫共晶焊料與可伐管帽實(shí)現(xiàn)了有效焊接.

2.4 互連界面的熱循環(huán)可靠性分析

對(duì)采用圖7 焊接曲線封裝的管帽-基板進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表4 所示，檢漏結(jié)果為合格.

表4 密封檢漏試驗(yàn)條件Table 4 Test conditions of leakage detection

剪切力是衡量金錫焊料封接質(zhì)量的另一項(xiàng)重要指標(biāo).將器件固定在推力測試臺(tái)上，平行于基板方向施加推力進(jìn)行剪切力測試，測得管帽脫離推力分布在6 500～ 7 500 g，根據(jù)管帽封接環(huán)尺寸計(jì)算，其抗剪強(qiáng)度分布在41.88～ 48.32 MPa.如圖9 所示，管帽推落端口焊縫規(guī)則完整，基板表面粘附層有拉扯脫落，表明金錫共晶封接質(zhì)量較好.

圖9 剪切力測試基板形貌Fig.9 Morphology of HTCC substrate after shearing-teat

對(duì)封裝后的管帽-基板進(jìn)行-55～ 85 ℃的熱循環(huán)測試，試驗(yàn)按照GJB 548B—2005 中方法1010.1和下述規(guī)定進(jìn)行，如表5 所示.在溫度循環(huán)測試完成后，對(duì)封裝的器件進(jìn)行機(jī)械沖擊測試，測試條件按照GJB 548B—2005 中方法2002，即沖擊力1 500 g，沖擊方向?yàn)閥1方向，沖擊10 次.對(duì)經(jīng)歷溫度循環(huán)和沖擊測試后的器件，再次進(jìn)行檢漏，檢漏結(jié)果器件合格，對(duì)其進(jìn)行剪切力測試，抗剪強(qiáng)度保持在40 MPa 以上，與試驗(yàn)前無明顯改變.圖10 是300 次循環(huán)后界面的顯微組織與元素分布.

表5 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件Table 5 Test conditions of temperature cycle

圖10 300 次循環(huán)后管帽引腳與基板界面的顯微組織與元素分布Fig.10 Microstructures and elemental distribution of interconnection between Kovar cap and HTCC substrate after 300 temperature cycle

表6 是圖10 中Au-Sn 互連層內(nèi)的相分析結(jié)果.由圖10 和表6 可知，經(jīng)歷300 次循環(huán)之后，互連界面的形態(tài)和組織并沒有發(fā)生明顯變化，Au-Sn 互連層保持δ/(Au,Ni)Sn—ζ 相—δ/(Au,Ni)Sn 分層結(jié)構(gòu)，在界面上并沒有觀察到疲勞裂紋，這表明采用金/錫/金電鍍層，通過Au-Sn 共晶反應(yīng)實(shí)現(xiàn)CSP 器件的金屬管帽與陶瓷基板之間的封接是穩(wěn)定可靠的.

表6 圖10 中Au-Sn 共晶層相成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 Au-Sn intermetallic compounds in Fig.10

3 結(jié)論

(1)分層電鍍沉積法制備的金/錫/金鍍層的質(zhì)量，尤其是層厚度和層間的結(jié)合力，將會(huì)嚴(yán)重影響Au-Sn 共晶焊料的封接質(zhì)量.

(2)在焊接時(shí)，錫鍍層首先熔化形成“熔池”，溶解上下兩側(cè)的金鍍層，直至完成共晶反應(yīng)生成δ/(Au,Ni)Sn—ζ 相—δ/(Au,Ni)Sn 分層組織結(jié)構(gòu).

(3)相比于保溫時(shí)間，焊接溫度對(duì)Au-Sn 共晶焊料的封接結(jié)果影響更大，為了形成Au-Sn 共晶組織，需要優(yōu)化調(diào)整封裝回流曲線.

(4)在HTCC 基板上分層電鍍金/錫/金，焊接溫度在330 ℃，時(shí)間維持30 s 時(shí)，Au-Sn 共晶反應(yīng)完全，實(shí)現(xiàn)可伐管帽與HTCC 基板的可靠密封，該工藝穩(wěn)定可靠，適合于批量化生產(chǎn).