真空燒結技術研究

劉洪濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

真空燒結技術研究

劉洪濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

隨著電子裝備和系統對可靠性及使用期的要求不斷提高，對于集成電路的質量和可靠性以及貯存壽命期提出了更高要求，因而對芯片的焊接工藝也提出了越來越高的要求。通過對清洗工藝和真空燒結工藝的深入研究，優化清洗工藝，改善焊料與金屬化層的浸潤性，優化芯片燒結工藝參數，包括選擇合適的升溫速率、燒結溫度和焊料熔化時間及冷卻方式等措施，改善了焊料的潤濕性能，減小了空洞面積，提高了芯片焊接強度。

真空燒結；潤濕；空洞；剪切強度

1 引 言

將半導體芯片裝配到載體上（如管殼等），實現的方法主要有導電膠粘接和共晶燒結兩種。其中導電膠粘接芯片具有工藝簡單、成本低廉等特點，但電路長期貯存后其腔體內水汽含量會逐漸增多，可靠性降低，對武器裝備可能帶來故障隱患，因而，正逐漸被共晶燒結所取代。

高可靠的集成電路芯片粘接普遍采用合金共晶燒結粘片方式，共晶燒結一般采用金屬合金焊料片在熔融溫度下，直接將兩種金屬的界面加熱到等于或高于它們的共熔溫度而進行的共熔焊。共晶燒結的熱性能、電性能及機械性能都大大優于導電膠粘接［1］。以下主要研究了真空燒結技術，分析了影響焊接質量的幾個方面，并制訂了相應的優化措施。

2 真空燒結原理

真空燒結是指在一定的真空度下，利用熔點比被焊接材料的熔點低的合金做釬料，通過加熱使釬料熔化，靠毛細作用將液態焊料填充到焊接接觸面的間隙中，通過液態焊料與被焊金屬之間相互擴散溶解形成金屬間化合物，最后經過冷卻形成高可靠的焊接［2］。為了使芯片和封裝載體之間粘接強度高，空洞少，接觸電阻和接觸熱阻小，熱匹配好，使器件具有高的抗熱疲勞性能和較高的可靠性，通常需要在芯片背面制作多層金屬化層，使得真空燒結后芯片、多層金屬化層、焊料、載體應力相匹配，粘附牢固。

3 真空燒結工藝研究參數的確定

燒結后焊料的狀態，以及焊料與管芯之間、焊料與載體之間的界面狀態在很大程度上影響到焊接質量。在焊接中，空洞的出現是不可避免的，是普遍存在的，控制不好可影響芯片的粘接強度。粘接處空洞面積的大小直接決定著焊接質量的強度、導電性和散熱性，進而直接影響軍用電子元器件的長期可靠性。因此，在燒結時對芯片粘接工藝進行了優化和評估，通過優化清洗工藝和燒結工藝，形成了芯片粘接工藝質量控制技術，改善焊料的潤濕性能，減小芯片粘接處空洞面積，有效提高真空燒結工藝質量，消除缺陷，獲得高使用可靠性的產品，避免因芯片燒結質量問題等因素可能出現的可靠性隱患，確保軍品電路的可靠性。

4 真空燒結工藝研究

4.1 清洗工藝研究

真空燒結選用焊料為厚度50μm的Pb-In-Ag焊片，其中含92.5%Pb、5%In、2.5%Ag，所用載體為鍍Au的陶瓷管殼。在燒結時，應保證焊料及管殼清潔，去除有機粘污及氧化層等［3］。燒結前，采用乙醇、丙酮等有機溶劑對材料進行濕法清洗后，用去離子水沖洗，再用乙醇脫水，并在烘箱內烘干。濕法清洗能夠有效去除材料表面的有機沾污及灰塵，但無法清除表面氧化層。因而，引入了等離子清洗技術，該技術主要是依靠等離子體中活性粒子的＂活化作用＂達到去除物體表面污漬的目的。

選用合適的惰性氣體作為反應氣體，可以有效去除殘留的有機玷污及表面的氧化物。調整清洗模式、清洗功率和清洗時間來進行試驗研究，通過對等離子清洗后的表面狀態的檢測及真空燒結后的焊料浸潤情況、粘接效果、剪切強度等進行對比，得到最佳清洗工藝。研究試驗表明，對管殼采用氧氣進行等離子清洗，對芯片及合金片采用氬氣進行等離子清洗，可以改善合金片、芯片背金面及管殼鍍金層真空燒結時的浸潤性，提高粘片區域的有效粘接面積，提高粘接質量。

4.2 燒結工藝研究

燒結工藝的好壞直接決定著粘接空洞面積的大小，從而決定著產品的長期可靠性。在對所用原材料進行清洗后，我們通過優化燒結工藝，改善焊料的浸潤性，減小空洞面積。真空燒結工藝曲線如圖1所示，燒結過程主要分為三個部分，具體如下：

（1）A、B段為長時間去氣，以較小升溫速率從室溫開始加熱，在焊料熔點以下40℃左右停留一段時間進行預熱。充分的預熱可以使熱容較大的底座和管芯處于等溫狀態，可以防止局部冷焊或過熱焊點。

（2）調整燒結溫度和焊料熔化時間，C段為短時間焊料高溫熔化。預熱后快速升溫達到焊料液相線以上60℃左右，短時間停留。峰值溫度及停留時間不僅影響到潤濕效果，而且對焊料和被焊材料之間釬焊接面發生冶金反應的程度也有很大影響。如果溫度過高或者停留時間過長，金屬間化合物的成長就會增大，金屬間化合物的晶粒過大或數量過多對焊接質量是有害的。所以制定適當的峰值溫度及停留時間是很重要的。

（3）真空燒結芯片的主要指標為強度和韌性，晶粒細化是同時提高材料強度和韌性的唯一方法，其基本途徑是保證焊料及被焊材料同時快速冷卻，提高晶核成長速度。D段為從峰值溫度快速冷卻到260℃左右，細化晶粒，提高粘接強度。E段為緩慢冷卻，降低焊接面的殘余應力，進一步提高可靠性。殘余應力的存在會降低焊接區金屬的塑性和抗疲勞強度，適當延長燒結電路在爐內的冷卻時間，將焊接產生的彈性應變變成塑性應變，使應力得到釋放。

圖1 真空燒結工藝曲線

5 結果與討論

5.1 焊料潤濕性

焊料的潤濕性是金屬合金粘接工藝質量好壞的一個很重要因素，焊料潤濕性好，流散性能好，鋪展性好，焊接質量就能得到保證［4］。焊接溫度較低，在焊料熔化溫度停留時間較短，焊料鋪展面積就很小，甚至在芯片四周的大部分區域看不到焊料流淌出來，這種情況為不良粘接，如圖2所示。相反，焊接溫度越高，在焊料熔化溫度停留時間越長，焊料鋪展面積就越大，但過高的溫度和過長的停留時間都會使焊料流失嚴重，造成粘接強度下降。所以，制定合適的焊接溫度和停留時間是決定焊料鋪展的關鍵。

通過優化燒結工藝來提高合金焊料的潤濕性，使焊料潤濕性得到了明顯改善，芯片粘接效果較好，焊料流淌較均勻，焊料超出芯片棱邊的流淌區域寬度為1mm-2mm，如圖3所示。

通過X射線檢測和顯微鏡觀察燒結界面形貌，發現優化工藝后燒結界面空洞減少了10%-20%，芯片與管殼的粘接面空洞面積明顯較小，如圖4所示。

5.2 芯片剪切強度測試

5.2.1 試驗方法

使用Dage Series 4000型剪切強度/鍵合強度測試儀進行剪切強度測量，測量方法及檢驗標準按照GJB548B-2005方法2019的要求執行。為檢驗真空燒結技術研究的技術指標，將剪切強度試驗量程設定為100KG，確保試驗能將芯片剪切掉并得到實際數值。

5.2.2 測試數據分析

分別在原燒結工藝和優化工藝基礎上，選用相同的管殼和芯片分別粘接了10個樣管，對得到的燒結半成品進行高溫儲存、熱沖擊、溫度循環、機械沖擊、振動、恒定加速度等環境和應力試驗，最后進行剪切強度試驗，得到一系列數據，如表1所示。從表中可以看出，工藝優化后，其剪切強度明顯提高，平均提高了10kg左右。

圖2 焊料鋪展宏觀形貌

圖3 焊料鋪展宏觀形貌

圖4 X光照相形貌

表1 工藝優化前和工藝優化后剪切強度數據

6 結束語

真空燒結是一種對工藝參數和操作要求都很嚴格的焊接工藝，過程中的不嚴謹就會產生質量問題。因此必須采用科學的態度去分析并制定切實有效的清洗工藝和燒結工藝，不斷提高設計水平和工藝水平，為整機系統提供高可靠、放心的優質產品。

［1］ Richard K.Ulrich，William D.Brown，著.高級電子封裝［M］.李虹，張輝，郭志川，等譯.北京：機械工業出版社，2010.

Richard K.Ulrich，William D.Brown，write.Advanced Electronic Packaging［M］.Li Hong，Zhang-hui，Guo Zhi-chuan，et al translate.Beijing：China Machine Press，2010.

［2］ 杜長華，陳方，黃福祥，等.電子微連接技術與材料［M］.北京：機械工業出版社，2008.

Du Chang-hua，Chen Fang，Huang Fu-xiang，et al.Electronic Micro Bonding Technology and Materials［M］.Bei jing：China Machine Press，2008.

［3］ 曹白楊，張欣，梁萬雷，等.表面組裝技術基礎［M］.北京：電子工業出版社，2012.

Cao Bai-yang，Zhang Xin，LiangWan-lei，et al.Surface mount technology base［M］.Beijing：Publishing Hose of Electronics Industry，2012.

［4］ 邵光杰，王銳，董紅星，等.物理化學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

Shao Guang-jie，Wang Rui，Dong Hong-xing，et al.Physical and Chemical［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2002.

Study on Technology of Vacuum Sintering

Liu Hongtao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the increasing requirements for reliability and service life of electronics egipmentand systems，aswell as the requirements for storage life of integrated circuits，are put forward in this paper.So more and more requests for thewelding of chip craftaremade.As the cleaning craft and vacuum sintering technology are deeply researched and the wettability of solder，the void area and the welding strength of chip are improved by the optimization of cleaning process，improving the solder infiltration with themetal layers，the optimization of the process parameters such as heating rate，sintering temperature，solder melting time and coolingmethod.

Vacuum sintering；Wetting；Void；Shear strength

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.004

TN4

A

1002-2279（2015）03-0009-03

劉洪濤（1975-），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主研方向：微電子。

2014-10-27