IC封裝釬焊表面變色原因探討

李興鴻，趙俊萍，王 勇，方測寶，黃 鑫，孫 鍵

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

IC封裝釬焊表面變色原因探討

李興鴻，趙俊萍，王 勇，方測寶，黃 鑫，孫 鍵

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

本文對IC封裝釬焊位置變色現(xiàn)象進行了形貌和成份分析，認(rèn)為變色的主要原因是Ni鍍層有針孔或空洞，根本原因在電鍍工藝。

IC管殼；釬焊鍍層；變色；原因分析

前言

在陶瓷封裝集成電路外部目檢中，時常會遇到變色位置出現(xiàn)在管腳與陶瓷基體釬焊位置或出現(xiàn)在熱沉與陶瓷基體釬焊位置的金屬鍍層變色現(xiàn)象。由于變色原因不清楚，是否有害不知道，故無法按標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)論。所以出現(xiàn)這種情況經(jīng)常會構(gòu)成用戶拒收，造成較大經(jīng)濟和時間損失。本文是我們對此類變色進行專門研究的部分研究工作小結(jié)。

1 耐熔陶瓷基座管腳結(jié)構(gòu)

集成電路管腳結(jié)構(gòu)有兩種類型。一種是引線框架類，不用焊接，本文不討論。另一種是釬焊類，也就是在陶瓷上的金屬化材料處焊接上管腳。大規(guī)模集成電路管腳幾乎都是釬焊類管腳或無管腳。

大規(guī)模集成電路采用的耐熔陶瓷基座是由漿料加工而來的帶難熔金屬布線（如W）的多層陶瓷板，經(jīng)高壓高溫共燒或低溫共燒而構(gòu)成的陶瓷金屬基座整體。集成電路陶瓷封裝最常用的管腳材料是鐵鎳合金。對功率稍大的耐熔陶瓷基座，經(jīng)常要帶熱沉（如銅）散熱。管腳和熱沉都是在陶瓷金屬漿料共燒后再將熱沉（銅合金片）焊接在陶瓷體上的金屬化材料上的，一般為高溫銀銅焊料釬焊。焊接后再整體鍍鎳鍍金[1]。局部耐熔陶瓷基座結(jié)構(gòu)照片如圖1所示。

圖1 一種耐熔陶瓷基座結(jié)構(gòu)照片（左剖面，右平面）

2 變色位置光學(xué)形貌

在實際工作中我們都知道，只要集成電路經(jīng)歷了篩選試驗過程，鍍金層表面由于氧化、沾污、劃痕而造成的輕微變色是不可避免的，當(dāng)然也是可以滿足軍標(biāo)要求的。反之，如果鍍層表面太完美，則假貨或很多試驗沒有做的可能性很大。

本文所指的變色位置和形貌如圖2所示。不管是管腳還是熱沉，均發(fā)生在釬焊位置表面，而且有浸潤的痕跡。故此類變色一定是潮氣存在情況下而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕[2]。

3 變色位置SEM形貌及成份

圖2 變色位置和形貌光學(xué)照片（7幀，后2幀為剖面）

在掃描電鏡（SEM）下，變色位置的微觀形態(tài)非常清晰，如照片組圖3所示。從照片組可見，變色位置的鍍金層表面有豐富的電化學(xué)腐蝕殘留物，有孔洞甚至縫隙作為腐蝕源。

圖3 變色部位形貌和成分（6組，后2組為熱沉釬焊位置，其余為管腳釬焊位置）

圖4 未變色部位形貌和成分（2組）

經(jīng)過EDX成分分析，在變色部位除了Au元素外，都存在Cu、Ag、O元素。Cu和Ag元素含量較高，不含Ni，也不含Na，而含有較多的S及Cl。在其它未變色的部位，主要為Au，幾乎不存在Cu和Ag元素，表面均勻、致密、無孔洞，如圖4所示。

4 結(jié)果討論

經(jīng)過對大量管腳根部拐角處的Cu-Ag焊料釬焊表面變色情況進行顯微鏡和掃描電鏡形貌觀察及EDX成份分析表明：肉眼或光學(xué)顯微鏡下所見的變色由Cu、Ag及Cl、S在潮濕情況下的電化學(xué)腐蝕生成物造成，如CuO、Ag2O等氧化物以及Cu、Ag的硫化物、氯化物，有殘留物的位置總有孔洞或縫隙腐蝕源。

但無論是殘留物成份還是剖面都未見Ni、Na元素。所以我們認(rèn)為變色的最主要原因是鍍層有缺失Ni的Ni針孔或空洞造成。Cl、S的存在起到了電化學(xué)反應(yīng)增強效應(yīng)，會使反應(yīng)物增多[2]。這種情況在來料鏡檢時由于鍍金層覆蓋、位置特殊等原因而不能發(fā)現(xiàn)。

缺少Ni阻擋層時，在后續(xù)的環(huán)境試驗中溫度、濕度、機械應(yīng)力的作用下，金屬材料將擴散，Ag-Cu焊料將從Au層中露出，Ag-Cu焊料與Au遇濕氣構(gòu)成原電池而發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3][4]，其孔洞中藏匿的Cl、S增強了腐蝕效應(yīng)。所以陶瓷管殼釬焊部位出現(xiàn)變色的原因在鍍鎳工藝。也就是釬焊造成的較深的孔洞或縫隙處未完整地鍍上鎳，并在這些孔洞隱藏著微量的Cl、S離子。

原則上，使用者沒有很好的改進措施，只能是在規(guī)范允許的情況下盡量用較輕的環(huán)境應(yīng)力來減緩此效應(yīng)，包括減輕管腳根部可能受到的機械應(yīng)力。

[1] James J.Licari,Leonard R.Enlow,朱瑞廉.混合微電路技術(shù)手冊:材料、工藝、設(shè)計、試驗和生產(chǎn)（第二版）[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2004.1

[2]張棟等編著，失效分析[M],北京：國防工業(yè)出版社，2004.5

[3王占華，沈卓身，薛潤東.陶瓷外殼芯腔表面變色原因分析[J],半導(dǎo)體技術(shù)，2002,27(10): 13-15.

[4] Pradeep Lall,Michael G.Pecht.賈穎.溫度對微電子和系統(tǒng)可靠性的影響[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2008.7.

Discussion on Reasons of Surface Discoloration in Brazed Position of IC Package

LI Xing-hong, ZHAO Jun-pin，WANG Yong，F(xiàn)ANG Ce-bao，HUANG Xin，SUN Jian
(Beijing Microelectronics Technology Institute, Beijing 100076)

In this paper, the morphology and composition of surface discoloration in brazed position of IC package were analyzed. The main reason was that the Ni coating has pinholes or voids and the root cause is the electroplating process.

IC package; brazing coating; discoloration; cause analysis

TN432

A

1004-7204(2017)04-0090-03

李興鴻，研究員，航天大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路檢測和失效分析中心副主任，北京微電子技術(shù)研究所封裝測試中心總工程師，畢業(yè)于華南理工大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)。