陶瓷封裝腔體內(nèi)氣體含量分析與控制

馮 達(dá)，李秀林，丁榮崢，王 洋，明雪飛

（1.深圳國(guó)微電子有限公司，深圳 518057；2.無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

陶瓷封裝腔體內(nèi)氣體含量分析與控制

馮 達(dá)1，李秀林2，丁榮崢2，王 洋2，明雪飛2

（1.深圳國(guó)微電子有限公司，深圳 518057；2.無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

氣密性封裝技術(shù)應(yīng)用廣泛，內(nèi)部水汽的含量能很好地控制在5 000×10-6以下。但在氣密性封裝器件的失效分析中發(fā)現(xiàn)，失效器件的某些失效與其內(nèi)部除水汽之外的其他氣氛含量異常有關(guān)，如錫基焊料焊接芯片長(zhǎng)期貯存后抗剪/抗拉強(qiáng)度下降，與內(nèi)部氧氣含量高有關(guān)；銀玻璃燒結(jié)的，長(zhǎng)期貯存后抗剪/抗拉強(qiáng)度下降，與內(nèi)部二氧化碳含量異常相關(guān)；內(nèi)部氦含量高，則往往與返工處置不恰當(dāng)相關(guān)，上述現(xiàn)象表明氣密性封裝中僅控制水汽含量是不夠的。文章分析了腔體內(nèi)氧氣、二氧化碳、氦氣的來(lái)源，氣體含量異常與封裝工藝的關(guān)系。同時(shí)在分析試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)性的工藝措施，試驗(yàn)結(jié)果表明這些改進(jìn)措施能夠很好地解決封裝腔體內(nèi)氧氣、二氧化碳、氦氣含量，并取得了期望的結(jié)果。

氣密封裝；內(nèi)部氣氛；氧氣含量；二氧化碳含量；氦氣含量；水汽含量

1 引言

對(duì)于氣密性陶瓷封裝密封腔體內(nèi)部氣氛的分析，國(guó)內(nèi)研究比較多的是水汽含量[1～5]，文獻(xiàn)表明氣密性陶瓷封裝內(nèi)部氣氛中水汽的含量已很好地控制在5 000×10-6以下，通常可以維持在1 000×10-6左右。但是我們?cè)诟黝悮饷苄苑庋b電子元器件的失效分析中發(fā)現(xiàn)，失效器件的某些失效與其內(nèi)部除水汽之外的其他氣氛含量異常有關(guān)。如錫基焊料焊接芯片長(zhǎng)期貯存后抗剪/抗拉強(qiáng)度下降，分析后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部氧氣含量高；銀玻璃燒結(jié)的電路，長(zhǎng)期貯存后抗剪/抗拉強(qiáng)度下降的，其內(nèi)部二氧化碳含量偏高；部分氣密性封裝模塊電路偶爾有水汽含量超標(biāo)，但同時(shí)氦氣含量偏高等。這些充分表明，在進(jìn)行氣密性工藝評(píng)價(jià)或者內(nèi)部氣氛分析時(shí)，應(yīng)不僅僅只分析水汽含量，其他氣體的含量也應(yīng)予以關(guān)注。

本文結(jié)合上述現(xiàn)象，對(duì)不同粘接材料以及導(dǎo)電膠長(zhǎng)期貯存后的內(nèi)部氣氛進(jìn)行比較分析，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析氧氣、二氧化碳、氦氣含量高的產(chǎn)生原因并通過工藝改進(jìn)等措施解決氧氣、二氧化碳、氦氣含量的控制問題。

2 芯片粘接材料密封腔體內(nèi)部氣氛情況

芯片粘接材料主要有氰酸酯導(dǎo)電膠（環(huán)氧類和氰酸酯類為主）、銀玻璃、合金焊料。由于對(duì)環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接氣密封裝器件的內(nèi)部氣氛分析較多[1～7]，這里不再敘述，下面重點(diǎn)就氰酸酯粘接、銀玻璃、合金焊料燒結(jié)芯片，Au80Sn20合金封帽器件的內(nèi)部氣氛做比較分析。

2.1 導(dǎo)電膠粘片的內(nèi)部氣氛分析

內(nèi)部氣氛分析樣品封裝形式為11×11陣列CPGA84封裝，芯片面積為7.6mm×7.6mm，采用氰酸酯導(dǎo)電膠粘接，金絲鍵合，Au80Sn20合金封帽。內(nèi)部氣氛測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，水汽和氧氣含量非常低，水汽含量低于100×10-6、氧氣含量低于250×10-6、氫氣含量超過1 000×10-6、二氧化碳含量最低的也在1.28%（12 800×10-6），遠(yuǎn)高于氣密性陶瓷封裝的內(nèi)部氣氛控制。

2.2 銀玻璃燒結(jié)的內(nèi)部氣氛分析

對(duì)采用銀玻璃燒結(jié)芯片、低溫玻璃熔封的電路做內(nèi)部氣氛分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表1 氰酸酯導(dǎo)電膠粘片、Au80Sn20合金封帽電路的內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 銀玻璃燒結(jié)芯片、低溫玻璃熔封電路的內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，水汽含量、氫氣含量均能達(dá)到≤1 000×10-6的指標(biāo)，氧氣含量小于3 000×10-6，二氧化碳含量大于5 000×10-6，比氰酸酯導(dǎo)電膠粘片的電路要低，但數(shù)值還是較高。

2.3 合金焊料燒結(jié)的內(nèi)部氣氛分析

對(duì)采用Au80Sn20合金焊料燒結(jié)芯片、Au80Sn20合金封帽的電路進(jìn)行內(nèi)部氣氛分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 Au80Sn20合金焊料燒結(jié)芯片、Au80Sn20合金封帽電路內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表3中可以看出，水汽、氧氣、二氧化碳含量等均能達(dá)到≤1 000×10-6的指標(biāo)，但氫氣含量仍較高，在3 000×10-6左右。

對(duì)采用Au-Sb合金焊料燒結(jié)芯片、Au80Sn20合金封帽的電路進(jìn)行內(nèi)部氣氛分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4 Au-Sb合金燒接芯片、Au80Sn20合金封帽電路內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，水汽含量、氧氣含量、二氧化碳含量等均能達(dá)到≤1 000×10-6要求，但氫氣含量在3 000×10-6以上，含量仍較高。

3 氣密性封裝長(zhǎng)期貯存后內(nèi)部氣氛變化

氰酸酯導(dǎo)電膠含有機(jī)物，其穩(wěn)定性相對(duì)弱，而銀玻璃、金基焊料（Au-Sn、Au-Si、Au-Ge、Au-Sb等）的穩(wěn)定性較高，故僅對(duì)導(dǎo)電膠粘片做長(zhǎng)期貯存后內(nèi)部氣氛分析。

分別對(duì)1年、6年、11年前封裝的采用氰酸酯導(dǎo)電膠粘片、Au80Sn20合金封帽電路抽樣進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)見表5。

表5 氰酸酯導(dǎo)電膠粘片、Au80Sn20合金封帽電路1、6、11年貯存期內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表5中可以看出，抽測(cè)電路的水汽含量均合格，水汽的含量均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的5 000×10-6，貯存對(duì)含量影響不大；二氧化碳的含量變化不大，但會(huì)隨著氫氣釋放而消耗氧氣，若有異氰酸鹽反應(yīng)生成二氧化碳而使其含量增高。

4 內(nèi)部氣氛來(lái)源分析

4.1 氧氣

主要有以下幾個(gè)來(lái)源：

（1）焊料中析出（如錫基焊料中的氧、Au80Sn20焊料表面富錫中吸附的氧等）；

（2）密封氣氛中的氧，封帽時(shí)裝架氣氛中含有或密封環(huán)境中含有的氧與內(nèi)部氣氛在密封前的滲透；

（3）鍍鎳—金表面中吸附氧的解析。

4.2 二氧化碳

主要有以下幾個(gè)來(lái)源：

（1）銀玻璃等燒結(jié)材料中未充分釋放的包裹性氣體；

（2）合金焊料燒結(jié)時(shí)，石墨夾具、外殼等粘有的有機(jī)物在高溫下氧化反應(yīng)生成；

（3）JM7000導(dǎo)電膠反應(yīng)生成；

（4）環(huán)境氣氛中引入。銀玻璃中含有的有機(jī)物在燒結(jié)過程中被氧化生成二氧化碳和水，若燒結(jié)不充分或排氣不充分而吸附，均會(huì)引起內(nèi)部二氧化碳含量偏高；石墨夾具等在有氧氣氛中也會(huì)氧化生成；JM7000類氰酸酯導(dǎo)電膠是熱激活固化過程，在固化中總有少量的氰酸酯沒有固化，未固化的異氰酸鹽基團(tuán)將與水發(fā)生反應(yīng)生成氨基甲酸酯，氨基甲酸酯發(fā)生熱分解則生成胺和二氧化碳?xì)怏w：

4.3 氦氣

環(huán)境中引入的氦通常只在幾百×10-6，如有異常，基本可以肯定是器件密封后進(jìn)行100%氦質(zhì)譜細(xì)檢漏時(shí)對(duì)器件采用氦氣加壓，發(fā)現(xiàn)器件存在細(xì)漏后直接將器件烘烤并采取平行縫焊返工，由于烘烤很難將壓入的氦氣排出所導(dǎo)致。

5 內(nèi)部氣氛的優(yōu)化控制

（1）更換材料。將錫基焊料、Au80Sn20焊料更換成Au-Si、Au-Sb、Au-Ge焊料，通過優(yōu)化燒結(jié)溫度來(lái)降低氧氣等對(duì)內(nèi)部氣氛的影響，但要注意燒結(jié)溫度的提高將使燒結(jié)殘余應(yīng)力增大，殘余應(yīng)力過大容易引起器件應(yīng)力失效。表6是Au80Sn20焊料燒結(jié)（～320℃）和Au-Sb焊料燒結(jié)（～420℃）的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，顯然采用Au-Sb焊料燒結(jié)的電路水汽含量和氧氣含量要比采用Au80Sn20焊料燒結(jié)的低。

（2）優(yōu)化燒結(jié)工藝。通過優(yōu)化燒結(jié)工藝可以進(jìn)一步提高和穩(wěn)定內(nèi)部氣氛，如延長(zhǎng)真空燒結(jié)的預(yù)烘時(shí)間、提高真空度、適當(dāng)調(diào)整燒結(jié)時(shí)間等有利于降低氫氣等，但需要協(xié)調(diào)生產(chǎn)效率，同時(shí)需要注意真空并不是100%，過分延長(zhǎng)時(shí)間有時(shí)會(huì)導(dǎo)致氧含量增加，延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間后的檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)見表7。

表6 Au80Sn20、Au-Sb焊料燒結(jié)內(nèi)部氣氛測(cè)試對(duì)比

表7 Au80Sn20合金燒結(jié)時(shí)間不同、內(nèi)部氣氛測(cè)試對(duì)比

（3）對(duì)于所有平行縫焊電路，在用氦加壓后進(jìn)行細(xì)漏，發(fā)現(xiàn)有微漏的電路，均采取100%重新開帽，并烘烤再封口，禁止將細(xì)漏電路直接通過補(bǔ)焊來(lái)解決漏氣問題。圖1和圖2是開帽機(jī)和返工流程圖。

圖1 平行縫焊返工開帽機(jī)

6 優(yōu)化工藝后的內(nèi)部氣氛測(cè)試結(jié)果

針對(duì)以上問題分別更改工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)：對(duì)外殼、蓋板進(jìn)行預(yù)烘除氣，采用合金焊料燒結(jié)，分段對(duì)裝架電路進(jìn)行烘烤除氣，封裝過程中嚴(yán)格控制氧化等氣氛，增加密封環(huán)境的氧氣含量控制等，使內(nèi)部氣氛得到有效控制。對(duì)改進(jìn)封裝工藝后的電路進(jìn)行內(nèi)部氣氛測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 工藝優(yōu)化改進(jìn)后電路的內(nèi)部氣氛檢測(cè)數(shù)據(jù)

從優(yōu)化工藝后的內(nèi)部氣氛測(cè)試結(jié)果來(lái)看，氧氣、二氧化碳、氦氣等含量能控制在3 000×10-6以內(nèi)。

圖2 平行縫焊開帽返工流程

7 結(jié)束語(yǔ)

從對(duì)電路互連可靠性影響來(lái)講，控制密封腔體內(nèi)的水汽含量足以防止焊點(diǎn)的腐蝕等；但針對(duì)封裝工藝的穩(wěn)定的考核，還需要結(jié)合封裝工藝對(duì)內(nèi)部其他氣氛進(jìn)行監(jiān)控。建議對(duì)采用易氧化的錫基焊料，一定要控制內(nèi)部氧氣含量，在工藝不能達(dá)到時(shí)需要考慮采用金基焊料；如采用銀玻璃燒結(jié)的，一定要關(guān)注內(nèi)部二氧化碳含量，通過優(yōu)化工藝和增加排氣來(lái)降低其含量；對(duì)平行縫焊密封細(xì)漏返工電路，一定要開帽并采取烘烤除氣后再密封。通過優(yōu)選材料、優(yōu)化封裝工藝、控制返工程序，加強(qiáng)密封環(huán)境和過程監(jiān)控，可以很好地控制密封腔體內(nèi)的氧氣、二氧化碳以及氦氣等的含量，從而進(jìn)一步提升密封器件的質(zhì)量。

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Analysis and Control of Internal Gas for Hermetic Package

FENG Da1, LI Xiu-lin2, DING Rong-zheng2, WANG Yang2, MING Xue-fei2
（1.Shenzhen State Microelectronics Co.,Ltd., Shenzhen518057,China;2.Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.,Ltd.,Wuxi214035,China）

Hermetic package technology has been widely used in nowadays .There have been a lot of research on the vapor contents in electronic components sealed cavity. Internal vapor contents can be controlled in less than 5 000×10-6. But in the failure analysis about the hermetic package electronic components, we found that some failure about the components associated with other atmosphere contents anomaly in addition to other internal water vapor. For example, soldering alloy, shear strength and tensile strength will be reduced after a long-term storage, associated with the anomaly of internal oxygen contents.Silver glass sinter, shear strength and tensile strength will be reduced after a long-term storage, associated with the anomaly of internal carbon dioxide contents；The growth of the content in internal helium is often associated with inappropriate rework. These above phenomenons show that only controlling vapor contents was not enough for hermetic package. In this article, authors analyzed the relationship between the gas contents in the cavity anomaly with the mass of packaging, and the main reason caused the increase of oxygen, carbon dioxide and helium contents. At the same time, on the foundation of the analytical test,targeted technological measures is proposed. Experiments show that these improvement measures can solve the problem of oxygen, carbon dioxide and helium contents in the cavity smoothly, and obtain desired results.

hermetic package; internal atmosphere; oxygen contents; carbon dioxide contents; helium contents; moisture

TN305.94

A

1681-1070（2011）08-0010-05

2011-06-25

馮 達(dá)（1979—），男，四川綿陽(yáng)人，工程碩士，現(xiàn)在深圳市國(guó)微電子股份有限公司工作，負(fù)責(zé)集成電路生產(chǎn)管理及相關(guān)工藝和技術(shù)研究。