粘片焊料二次流淌對鋁硅絲鍵合襯底可靠性影響研究

田愛民

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

在集成電路高可靠陶瓷封裝領(lǐng)域，尤其是針對航空航天領(lǐng)域，對高可靠封裝的要求較高，因此一般選用合金焊片作為芯片粘接材料的粘片工藝。相比于聚合物粘片，合金焊片粘接工藝沒有水汽、氧氣、二氧化碳等氣體釋放問題，在滿足粘接強度要求的同時，合金焊片與管殼熱匹配性更好[1-4]。在某款器件的封裝中，為防止和芯片焊盤的金鋁效應(yīng)問題，選用鋁硅絲作為互聯(lián)材料；封帽使用AuSn 熔封工藝，相對于陶封封裝常用的平行縫焊工藝，其氣密性可達10～12Pa·m3/s，漏率高出一個數(shù)量級，且不會破壞表面鍍層，抗腐蝕性更強[5-7]。該款器件在一致性檢驗中內(nèi)部目檢發(fā)現(xiàn)問題，按照國軍標相關(guān)標準，判定為不合格。本研究即圍繞此問題展開，通過逐步排查與實驗，層層分析，確認鍵合位置的詳細情況，以及鍵合點是否存在可靠性隱患。

2 問題提出與初步排查

器件在一致性檢驗的內(nèi)部目檢時出現(xiàn)了如圖1所示現(xiàn)象，被判定為不合格。不合格位置在芯片粘片區(qū)的襯底鋁絲和焊料接觸區(qū)域。不合格原因是鍵面積的25%以上位于芯片安裝材料之上，不符合GJB548B-2005 方法2010.1 3.2.1.4h 標準的要求[8]。

圖1 鍵的位置在芯片粘接材料之上

通過光學顯微鏡觀察該失效位置，無法直接判定是鍵位于粘片焊料之上，還是鍵合材料被粘接焊料包圍。首先要驗證鍵是否在芯片安裝材料之上。

該款器件的封裝主要包含粘片、鍵合、封帽三項工藝。粘片工藝使用鉛銦銀合金片；鍵合工藝為硅鋁絲超聲楔焊；襯底鍵合方式為第一鍵合點在管殼鍵合指上，第二鍵合點在管殼粘片區(qū)上；封帽使用金錫熔封工藝。

取該電路管殼和芯片各2 只，按照其組裝工藝條件進行粘片。粘片后電路編號為1#和2#。2 只電路均使用與正式電路相同的設(shè)備和鍵合方式及工藝參數(shù)鍵合到襯底。1#電路直接將鋁硅絲鍵合在焊料上；2#電路將鋁硅絲鍵合在焊料與粘片區(qū)鍍金層交界的位置處。結(jié)果表明，1#電路的鋁絲無法鍵合在焊料上，如圖2 所示。

圖2 鋁絲壓在焊料上

2#電路的鋁絲鍵合點一部分與鍍金層形成了冶金結(jié)合，另一部分并未與焊料形成冶金結(jié)合。當鋁硅絲完成在交界面的超聲結(jié)合動作后，線夾閉合，進行扯線動作。鋁絲斷裂發(fā)生在最薄弱處，即焊料與鍍金層交界位置，無法形成完整的鍵，如圖3 所示。

圖3 鋁絲壓在焊料與鍍金層界面

對試驗結(jié)果分析可知，鋁硅絲只與鍍金層發(fā)生冶金反應(yīng)，與焊料不能發(fā)生冶金反應(yīng)。由此可以證明失效器件并非是鋁硅絲直接鍵合在芯片安裝材料之上，而是被芯片安裝材料包裹。

3 原因分析及試驗驗證

對于鍵合點被芯片安裝材料包裹的原因，分析如下：在封裝過程中，由于封帽時工藝峰值溫度高于粘片材料的共晶點溫度，粘片焊料繼續(xù)向外流淌，流淌到了鋁絲鍵合點位置，最終表現(xiàn)為圖1 中顯現(xiàn)的樣貌。故內(nèi)部目檢結(jié)果中的形貌實際為焊接材料在封帽過程中融化后繼續(xù)流淌造成的。這種狀態(tài)是鍵合在先，流淌在后，即該鍵合點并未在焊接材料上方，而是被焊接材料環(huán)繞。

取該電路所用管殼和芯片各8 只，按照其組裝工藝條件進行粘片。粘片后電路編號為3#～10#。這8 只電路均使用與正式電路相同的設(shè)備和鍵合工藝參數(shù)壓襯底，襯底鍵合位置均在粘片焊料位置附近，并記錄焊料流淌和壓襯底位置。而后按照封帽工藝條件進行操作，并開蓋觀察對比封帽前后粘片焊料流淌位置變化。8 只電路在封帽前后均發(fā)生了粘片焊料流淌的情況，每只電路流淌的距離均不相同，其中5#、6#、7#、8#樣品電路出現(xiàn)了與失效器件同樣的情況，即粘片焊料在封帽后流淌到了鍵合襯底鍵合點位置，形成了部分包圍的情況。如圖4 所示，為7#電路封帽前后焊料流淌變化情況。

圖4 7#電路封帽前后粘片焊料流淌變化

試驗表明粘片焊料會在封帽時向外流淌。5#～8#的樣品電路復現(xiàn)了與失效器件同樣的情況，說明鋁硅絲并不是直接鍵合在粘片焊料與鍍金層交界位置，而是封帽后焊料流淌到壓襯底鋁絲位置，并形成部分包裹。

經(jīng)過上述試驗的驗證結(jié)果可以證明：一致性檢驗中的內(nèi)部目檢結(jié)論不準確。

4 可靠性加速試驗

雖然焊料部分包裹鍵合絲不作為失效判據(jù)，但是否存在質(zhì)量隱患、影響電路可靠性，仍需要進行可靠性試驗驗證。

取該電路用管殼和芯片各6 只，按照其組裝工藝條件進行組裝。將器件編號9#～14#。按照航天標準考核鍵合絲可靠性要求，進行300℃、24h 存儲試驗和168h、125℃壽命試驗，保證鍵合絲數(shù)量在10根以上，測量可靠性試驗后鍵合拉力以及斷點位置。其中9#～11#器件進行125℃、168h 壽命試驗，試驗的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 125℃、168h 壽命試驗結(jié)果（局部數(shù)據(jù)）

表中斷裂位置的含義為：A1 表示第一點頸縮處引線斷開；A2 表示第二點頸縮處引線斷開；B 表示在非頸縮點上引線斷開。

此次試驗中9?！?1＃器件共計有114 根鍵合襯底鋁硅絲，其中有30 個鍵合點被全部包裹，拉力平均值為7.382g；35 根鍵合點被部分包裹，拉力平均值為7.264g；49 根鍵合點未被包裹，拉力平均值為7.074g。所有襯底鍵合絲鍵合拉力均滿足封帽后大于2g 的標準要求，并且所有線斷裂位置均在頸縮處或者鍵合絲中間，并未發(fā)生從金鋁鍵合界面位置斷裂的情況。

對12#～14#器件進行300℃、24h 存儲試驗，試驗的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2 所示。表中斷裂位置的含義與表1 相同。

表2 300℃、24h 存儲試驗結(jié)果（局部數(shù)據(jù)）

試驗中12＃～14＃器件共計有93 根鍵合襯底鋁硅絲，其中有12 根鍵合點被全部包裹，鍵合拉力平均值5.932g；32 根鍵合點被部分包裹，鍵合拉力平均值5.657g；49 根鍵合點未被包裹，鍵合拉力平均值5.697g。所有襯底鍵合絲鍵合拉力均滿足封帽后大于2g 的標準要求，所有線斷裂位置也均在頸縮處或者鍵合絲中間，并未從金鋁鍵合界面位置斷裂。

5 結(jié)束語

試驗充分證明，鍵合絲在實際上無法鍵合在芯片安裝材料上，而是封帽過程中，粘片焊料重熔二次流淌到壓襯底鍵合絲位置，對鍵合點形成了包裹，問題得到了準確的解釋與解決。通過125℃、168h 壽命和300℃、24h 存儲兩個加速試驗，對未被焊料包裹的襯底鍵合絲和被焊料包裹的壓襯底鍵合絲的鍵合拉力進行對比，拉力基本一致，未出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，均滿足封帽后大于2g 的標準要求，并且所有線斷裂位置均在頸縮處或者鍵合絲中間，未有從金鋁鍵合界面位置斷裂，表明在封帽工藝參數(shù)下，粘片焊料二次流淌包裹壓襯底鋁絲并未對其可靠性造成影響。