集成電路平行縫焊封裝技術(shù)

摘 要：本文介紹了平行縫焊機(jī)的焊接原理及焊接過程，針對平行縫焊機(jī)焊接特點，分析了影響集成電路氣密性、內(nèi)部水汽含量、PIND波動的原因，提出了相關(guān)解決措施。

關(guān)鍵詞：集成電路；平行縫焊；滾輪電極；蓋板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.004

半導(dǎo)體集成電路已廣泛應(yīng)用航空航天、海洋極地等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的環(huán)境條件給外殼封裝提出了更高的要求，外殼封裝不斷改進(jìn)封裝形式與技術(shù)以保護(hù)器件的內(nèi)部芯片，同樣的平行縫焊外殼封裝技術(shù)也在不斷提高與完善。

1 平行縫焊原理

平行縫焊是單面雙電極接觸電阻焊，是滾焊的一種[1]。利用兩個圓錐形滾輪電極與蓋板相對運動，脈沖焊接電流從一個滾輪電極通過蓋板和焊框，到達(dá)另一個滾輪電極回到電源，電流通過滾輪電極與蓋板及蓋板與焊框之間存在的接觸電阻，產(chǎn)生焦耳熱量，局部熔融形成焊點，組成連續(xù)焊縫。與熔封爐焊接相比，縫焊工藝熱量集中在密封區(qū)局部，器件內(nèi)部芯片未受到高溫的作用[2]。平行縫焊的特點是局部產(chǎn)生高溫，外殼內(nèi)部的芯片溫度低，對芯片不產(chǎn)生熱沖擊。

2 平行縫焊生產(chǎn)條件

環(huán)境溫度20℃～25℃；濕度35%～50%；潔凈度≤1000級；風(fēng)速≥0.2m/s。電路烘焙溫度150℃；時間48 h； 氮氣流量8L/min ；預(yù)烘溫度150℃；時間60min。焊接夾具、鑷子、指套、放靜電腕帶、鋁盤。焊接電極、配套蓋板。顯微鏡、氦質(zhì)譜檢漏儀。

3 主要參數(shù)的設(shè)置

可以采用的封裝形式有：矩形封，圓形封，橢圓封，陣列封[3]。焊接電流：1）扁平陶瓷0.26～0.40kA；2）雙列陶瓷0.28～0.42kA；3）鍍鎳蓋板0.30～0.46kA。焊接時間1ms～3ms；壓力600g～1500g；速度0.4～0.6in/s；露點≤-40℃；含氧量≤400ppm；

4 縫焊封蓋過程控制

檢查手套箱，氮氣，冷卻水離子水水面，機(jī)械泵油面。管道接頭處求密封良好。機(jī)械泵抽真空達(dá)到0.2Torr以下。打開電源、啟動計算機(jī)。進(jìn)入計算機(jī)控制界面，選擇封裝程序，將外殼放置在封裝夾具上，進(jìn)行縫焊操作。禁用徒手觸摸原材料。電路蓋板和金屬上框要對位準(zhǔn)確，不能偏移。注意壓蓋板的頂針的狀態(tài)。目檢焊接后表面應(yīng)清潔光亮，無污、無劃痕、無變形。顯微鏡下電路外殼蓋板兩個邊的邊緣形成了兩條平行的、由重疊的焊點組成的連續(xù)的焊縫。

5 縫焊封裝完成后出現(xiàn)氣密性、內(nèi)部水汽含量、PIND質(zhì)量問題及解決方法

（1）氣密性問題及解決方法。將封蓋后的電路在氦質(zhì)譜檢漏儀中進(jìn)行細(xì)檢漏。漏率≤5×10-9 Pa.m3/s為合格，將細(xì)檢合格的電路置于125℃的氟油中進(jìn)行粗檢漏。有連續(xù)氣泡冒出的為不合格品，檢漏不合格原因：1）焊接電流設(shè)置不合適，偏大或偏小。2）蓋板的平整度低或者兩個滾輪電極連線與蓋板平面不平行。3）蓋板材料問題。蓋板太厚或者蓋板是鎳蓋板。4）真空室污染導(dǎo)致電極打火。5）封裝模具加工精度粗糙，尺寸偏差大。6）真空度低，焊接室進(jìn)入其它氣體導(dǎo)致焊接處氧化。7）滾輪電極表面污染或精度低。8）蓋板表面與金屬上框表面鍍層太薄。9）蓋板與金屬上框表面不平整。10）兩個滾輪電極不在同一條軸線上。11）氣缸行程不同步或行程不一致。12）滾輪電極對蓋板的壓力設(shè)置偏大或偏小。13）氮氣純度低。解決辦法：1）材料方面。外殼嚴(yán)格按入廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對平整度、鍍層成分和厚度依標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗。2）設(shè)備方面。定期更換或者維護(hù)滾輪電極及氣缸，檢查機(jī)械泵工作狀態(tài)及按刻度線加機(jī)械泵油。檢查真空室的密封性。保證手套箱內(nèi)始終維正壓。對滾輪電極更換進(jìn)行精確安裝。及時更換頂針。3）首件檢驗。正式生產(chǎn)前必須進(jìn)行首件檢驗。4）關(guān)注在線氮氣純度的監(jiān)測。5）按規(guī)定進(jìn)行儀器儀表計量校對。

（2）內(nèi)部水汽含量問題及解決方法。內(nèi)部水汽含量是集成電路內(nèi)部腔體，即對于0.1cm3，允許水汽含量為0.5%（5000ppm）[4]。水汽含量超標(biāo)就會降低器件可靠性。產(chǎn)生水汽含量超標(biāo)原因：1）導(dǎo)電膠固化不徹底。即烘焙溫度和時間沒有達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的150℃和48 h，結(jié)果造成導(dǎo)電膠沒有完全固化。2）烘箱的溫度儀表出現(xiàn)故障。雖然儀表顯示的是150℃，但實際小于150℃。3）導(dǎo)電膠變質(zhì)。超出貯存期。4）通入工作臺焊接室的氮氣純度低，含水量太高。5）真空度偏低，導(dǎo)致水汽沒有排除干凈。解決辦法：1）嚴(yán)格按工藝進(jìn)行導(dǎo)電膠固化，控制溫度、時間符合工藝要求。2）強(qiáng)化設(shè)備的維護(hù)及管理，對機(jī)械泵、氣缸等設(shè)備及時維護(hù)，更換密封手套等。3）設(shè)備必須定置在凈化度符合工藝要求的工作場所。溫濕度達(dá)標(biāo)。4）及時在線監(jiān)測并控制氮氣含水量≤5ppm。5）定期清潔工作室。

（3）PIND問題及解決方法。粒子碰撞噪聲檢測即PIND的目的在于檢測器件封裝腔體內(nèi)存在的自由粒子。PIND超標(biāo)原因：1）導(dǎo)電膠用量太多，固化后產(chǎn)生了多余物。2）外殼焊接框內(nèi)邊緣存在金屬突起。3）焊接工作臺表面污染。4）模具表面摩擦產(chǎn)生微粒。5）橡膠工作手套由于摩擦產(chǎn)生微粒。6）工作環(huán)境凈化度不符合要求。解決辦法：1）導(dǎo)電膠用量符合工藝要求。2）強(qiáng)化外殼入廠檢驗。3）壓焊完成后用氮氣吹粒子。4）封裝前保護(hù)外殼清潔。5）定期更換清洗滾輪。6）模具表面進(jìn)行耐摩擦處理。焊接操作時減少摩擦。7）定期更換橡膠手套。8）使用吸塵器定期潔凈焊接室。9）定期清潔烘焙箱。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉艷.平行縫焊工藝及成品率影響因素[J].電子與封裝，2006（03）：35.

[2]李茂松.基于平行縫焊工藝的AuSn合金焊料封蓋技術(shù)研究[J].微電子學(xué)，2007（06）：35.

[3]劉嵩松.平行縫焊的可靠性研究[M].2003中國電子制造技術(shù)論壇會暨展會暨七屆SMT、SMD技術(shù)研討會論文集，2003.

[4]陳裕焜.GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序[M].總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版，2005.

作者簡介：鄧春茂（1965-），男，甘肅天水人，專科，電子工程師，公司技術(shù)中心負(fù)責(zé)人，研究方向：集成電路測試技術(shù)及可靠性。