薄膜基板芯片共晶焊技術研究

巫建華

（中國電子科技集團公司第43研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著混合集成電路向著高性能、高密度、高可靠性以及小型化、低成本的方向發展，對芯片的安裝焊接工藝提出了更高的要求，將芯片與基板或管殼互聯時，主要有導電膠粘接和共晶焊接兩種方法，在高頻電路大功率芯片的安裝中，由于導電膠的電阻率大、導熱系數小，會造成器件損耗大，管芯熱阻大，結溫高，影響功率輸出和可靠性。而共晶焊接具有連接電阻小、傳熱效率高、散熱均勻、焊接強度高、工藝一致性好等優點，所以特別適用于高頻、大功率器件和有較高散熱要求的功率器件的焊接。

近年來，共晶焊技術在混合集成電路中得到了廣泛的應用，本文針對高可靠薄膜基板芯片共晶焊工藝應用的需求，研究了真空氣氛、焊接金屬化膜層、焊接壓力以及溫度、時間對芯片共晶焊可靠性的影響，并在試驗的基礎上優化了各工藝參數，以滿足高可靠薄膜基板芯片共晶焊工藝的應用需求。

2 試驗

2.1 試驗基板的制備

基板采用Al2O3陶瓷基板，共晶焊區采用磁控濺射或蒸發制備復合薄膜，通過電鍍、光刻、熱處理后獲得， 圖1為薄膜基板制作工藝流程圖，芯片采用Ti/Ni/Au，其中Au的厚度為0.2μm，共晶焊設備采用進口的Westbood真空共晶焊爐。

圖1 基板制作工藝流程圖

2.2 焊料及厚度選擇

共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三種成分，表1為三種常用焊料的參數對比。

表1 不同焊料參數對比

三種焊料的熔點各不相同，選取時要綜合考慮焊接膜層及厚度、基板和芯片所能耐受的最高溫度等因素，通過表1對比，其中AuSn焊料的熔點最低，導熱性、電阻率都良好，并且焊料中Au占了很大的比重，材料表面的氧化程度較低，所以焊接中無需助焊劑，避免了因使用助焊劑對半導體芯片形成的污染和腐蝕。所以本研究采用預成型Au80Sn20焊片進行燒結，共晶溫度280℃，焊片的尺寸與芯片大小相同，厚度40μm。

3 共晶焊接原理

共晶焊接又稱低熔點焊接，它是指在相對較低的溫度下共晶焊料發生共晶物熔合的現象，共晶合金直接從固態變成液態，而不經過塑性階段。共晶焊料是由兩種或兩種以上金屬組成的合金，其熔點遠遠低于合金中任一種金屬的熔點。共晶焊料的熔化溫度稱為共晶溫度，共晶焊料中合金成分比例不同，共晶溫度也不同，共晶焊接需要在一定的保護氣氛中加熱到共晶溫度使焊料熔融，同時芯片和基板表面的金會有少量進入熔融的焊料，冷卻后會形成合金焊料與金層之間原子間的結合，從而完成芯片與基板之間的焊接。

4 關鍵技術與討論

4.1 夾具的設計

真空共晶焊焊接過程需要借助夾具，夾具的作用主要是提供一定的壓力和完成芯片的定位功能，一套完整的共晶焊夾具一般由上、中、下3種模塊組成。

圖2 共晶焊模具示意圖

夾具的設計要綜合考慮每爐共晶焊接數量、夾具的熱傳導性、熱均勻性、熱變形等特性，同時還要考慮夾具的易加工性、操作性和耐用性等因素。由于鋁合金具有優良的導熱性能、熱均勻性且熱變形小，最終選定鋁合金作為夾具材料。

夾具的下模塊以陣列的方式開槽，起到固定管殼的作用，同時使熱量迅速傳給管殼；焊料片和芯片依次放在指定的位置，夾具中模塊開有孔，用于焊料片和芯片的定位，保證芯片焊接過程中位置的準確性；夾具上模塊開有圓孔，圓孔上導入壓塊，壓塊可以對芯片施加一定壓力，使芯片、焊片、基板緊密結合，促使焊料四周擴散， 提高共晶面的均勻性并減少空洞。

4.2 薄膜金屬化結構及厚度

薄膜金屬化結構一般分三層，由內到外依次為粘附層、阻擋層、易焊層。粘附層是與基板直接接觸的金屬層，要求膨脹系數與Al2O3接近；易焊層是與焊料接觸的金屬層，要求性能穩定、不易氧化、導熱導電好、浸潤焊料好；阻擋層為粘附層和易焊層之間的金屬層，要求與粘附層和易焊層粘接牢固、熱穩定性好、并且具有相近的熱膨脹系數。經過對比，我們確定選用Ti/Ni/Au膜系，Ti金屬作為復合薄膜與基板的粘附層，可以有效提高復合薄膜的附著力；Ni金屬的熱膨脹系數在Ti金屬與Au之間，這樣Ni金屬作為中間層不僅可以阻擋某些金屬的過度擴散，而且也可以減小復合膜的內應力，增強復合膜系的穩定性，Au金屬具有良好的穩定性，并且其導電、導熱性能好，但是基板鍍Au層厚度以及焊料合金成分的變化都會對焊接質量產生一定影響，從圖3的AuSn相圖中看出，在共晶體的富金一側有非常陡的液相曲線陡度，在高于共晶組成處，含金量僅增加3%～5%就可使液相溫度從280℃提高到450℃以上，可見焊接時過量的金熔解就會使焊料的熔融溫度上升，從而造成浸潤的困難，所以基板Au層在保證足夠浸潤與防護性的前提下，厚度應盡可能小。基板膜層制作采用先濺射后電鍍的方式，試驗證明濺射Ti/Ni/Au總厚度為0.5μm，電鍍后上層Au厚度1.5μm對焊接質量最有利。

圖3 AuSn相圖

4.3 真空度和氣氛對共晶焊的影響

真空度和保護氣氛是影響共晶焊接質量的一個重要因素。在共晶焊接過程中如果真空度太低，焊區周圍的氣體以及焊料、被焊芯片焊接時釋放的氣體容易在焊接完成后形成空洞，從而增加焊接芯片的熱阻。但如果真空度太高，在加熱過程中熱導介質變少，容易產生共晶焊料達到熔點溫度還沒有熔化的現象，圖4為不同真空試驗條件下焊接空洞的對比情況。

圖4 真空度與焊接空洞的關系

從圖4中看出，隨著真空度的升高共晶焊的空洞面積呈遞減趨勢，真空度為1Pa時其空洞面積接近最小，以后隨著真空度的升高空洞面積呈平穩趨勢，通過試驗確定共晶焊的真空度為1Pa或者更高。

焊接氣氛就是指在焊接時采用何種氣體對焊接表面進行保護，不致因表面氧化而影響其焊接，同時焊接時為防止芯片受污染，不允許使用助焊劑，因此為使低熔點合金焊料保持其表面潔凈而不受氧化，焊接氣氛顯得尤為重要。一般氮氣或氮氣和氫氣的混合氣體作為保護氣體，氮氣能防止焊料氧化，降低焊料表面張力，保證焊料與金屬表面充分潤濕，氫氣作為還原氣體，起到還原金屬氧化物的作用。通過對共晶焊接環境的控制，能很好解決焊接空洞的生成，在芯片共晶焊時，共晶界面存在空洞是引起器件失效的主要原因。這是因為，共晶界面存在空洞會使接觸電阻變大，器件工作時使界面溫度升高，從而引起器件失效。在GJB548中明確規定：共晶焊空洞率不能超過焊接總面積的50%。

圖5是真空度1Pa條件下采用氫-氮混合氣體保護的X射線照相，從圖中看出其空洞面積低于焊接面積的10%，空洞面積的控制完全滿足國軍標的要求。

圖5 氫-氮保護氣體時共晶焊的空洞

4.4 壓力對共晶焊的影響

芯片采用預置焊片的方式與基板進行真空共晶焊接，如圖6所示。

其中焊料在平行間隙的毛細填縫長度L可表達為：

式中θ為浸潤角，h為芯片與基板間的間隙，ρ為焊料的密度，σ為液態焊料的表面張力，g為重力加速度。

圖6 共晶焊結構圖

可見在芯片上施加力F，可以有效減小芯片和基板間的間隙，增加填縫長度L。焊接時壓力的調整很重要，要根據芯片的材料、厚度、大小綜合情況進行調整，壓力太小或不均勻會使芯片和基板之間產生空隙或虛焊；壓力過大有可能導致芯片被壓碎，并且可能導致出現焊接金屬層太薄的情況。壓力的大小通過壓塊的自重來實現。表2給出了不同壓力條件下基板四周焊料溢出情況以及焊接空洞的情況。

表2 不同壓力條件下芯片焊接情況對比

通過試驗，我們確定施加的壓力一般為2kPa左右可以得到理想的焊接狀況。

4.5 工藝曲線設置

真空共晶焊過程主要包括前處理、預熱、焊接和冷卻四部分。前處理階段包括抽真空→充氮氫混合氣體→抽真空，目的是排除加熱室內殘留氣體，防止焊料在高溫時氧化，影響焊接質量；預熱階段包括升溫-預熱溫度，主要起到一個緩沖作用，使器件表面的溫度均勻；焊接階段包括升溫-焊接溫度，焊接是整個真空共晶焊接的主要過程，溫度達到焊接溫度后焊料熔化，此時焊料與芯片和電路的金屬層Au充分浸潤；冷卻階段主要包括降溫過程，冷卻速率可以控制焊點的微結晶結構；在焊接完成后，溫度降到熔點以下，焊料由液相轉變為固態，形成高強度、導電導熱良好的焊接面，同時考慮到焊點迅速冷卻、焊料晶格細化，結合強度提高，焊點光亮，所以一般通過快速吹氮氣的方法提高降溫速率。優化的共晶焊接工藝曲線如圖7所示。

圖7 真空共晶焊溫度曲線

在各工藝參數中，最關鍵的就是共晶溫度以及時間的選取，在設置溫度曲線時，在保證焊接效果的前提下，焊接溫度和保持時間盡可能低，對于芯片共晶焊工藝，一般用剪切強度的大小和空洞的控制能力來評價試驗結果，圖8為焊接峰值溫度保持30s的情況下，芯片剪切強度與焊接溫度的關系曲線。

圖8 剪切強度與焊接溫度的關系

從圖8中看出，焊接的溫度在330℃左右其剪切強度達到最大，隨著溫度的進一步升高，芯片的剪切強度反而下降，這主要因為焊接金屬膜層被浸蝕的原因，經過試驗優化我們確定最終的焊接溫度為330℃，時間是30s。 除此之外，在共晶焊時，真空度、壓力、升溫速率、冷卻速率等都直接影響到最終焊接質量，因此在溫度曲線設置時，要結合實際情況綜合考慮。

5 共晶焊可靠性評價

5.1 共晶焊接觸電阻

共晶焊的接觸電阻與空洞面積成正比關系，由于研究中很好地控制住焊接空洞，按照優化的工藝參數焊接的樣品空洞率一般低于10%，所以接觸電阻也比較小，但接觸電阻隨環境的改變會相應變化，特別是高溫高濕環境下，互連金屬的氧化、電化學腐蝕以及聚合物吸潮都會導致接觸電阻增加，研究表明，熱循環、熱沖擊、高溫高濕等環境以及外來沖擊載荷均會影響共晶焊的可靠性。為了驗證共晶焊的可靠性，我們分別對試驗樣品進行了150℃高溫貯存以及-65℃～150℃溫度循環試驗，圖9、圖10分別為隨老化時間以及溫循次數的增加共晶焊接觸電阻的變化規律。

圖9 接觸電阻與老化時間的關系曲線

圖10 接觸電阻與溫度循環的關系曲線

從圖中看出，共晶焊的接觸電阻控制在5%以內，完全滿足共晶焊實用化要求。

5.2 共晶焊接強度

共晶焊接強度一般通過剪切強度的大小來體現，但剪切強度隨老化時間以及溫循次數的增加而下降，這是因為當外界溫度發生變化時，由于器件的熱膨脹系數不匹配導致熱應力，在熱沖擊載荷作用下會在焊接合金層與芯片界面或合金與基板界面上形成裂紋，從而導致剪切強度的降低。圖11、圖12 分別為隨老化時間以及溫循次數的增加芯片剪切強度的變化規律。

從圖中看出，在高溫貯存和溫度循環后，芯片的剪切強度完全滿足GJB548B方法2019的要求，并且其變化率控制在10%以內。

圖11 剪切強度與老化時間的關系曲線

圖12 剪切強度與溫度循環的關系曲線

6 結論

通過在薄膜基板上進行芯片共晶焊技術的研究，主要解決了以下幾個關鍵技術問題：

（1）真空環境下運用O2、H2混合氣體進行AuSn共晶焊接，有效避免氧化物產生，提高了焊接的浸潤性，并使焊接空洞面積控制在10%以下。

（2）制訂合適的共晶焊接曲線，焊接溫度為330℃，焊接時間30s，基板金屬化Au層厚度1.5μm，焊接壓力控制在2kPa可以有效保證焊接質量。

（3）通過可靠性試驗對芯片共晶焊的電性能和機械性能進行考核，在試驗后樣品的剪切強度滿足GJB548B-2005的要求，接觸電阻變化率小于5%，完全滿足實用化的要求。

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