小尺寸器件氣密性封裝工藝的水汽控制

嚴雨寧 沈娟 王君 陳杰

南京中旭電子科技有限公司，江蘇南京 210000

一、前言

隨著科學技術的迅速發展，對電子器件的可靠性要求越來越高。氣密封裝能夠有效隔絕器件內部芯片與外界環境，排除外界干擾，保證了產品的可靠性，并被廣泛地應用于各種應用。但其內部的水汽含量會直接影響產品的電性能和可靠性，所以內部水汽含量控制變得尤為重要。

《GJB597 半導體集成電路通用規范》[1]及 《GJB548 微電子器件試驗方法和程序》[2]規定：完成所有篩選試驗之后的器件，其內部水汽含量在100℃條件下不得超過5000ppm。以往受到檢測設備的限制，對于腔體體積小于0.1mm3的器件無法進行水汽檢測。但目前，通過檢測機構的研究攻關，已經能夠對腔體體積小于0.1mm3的器件進行水汽檢測，故對小尺寸器件的水汽控制提出了明確要求。

對于小尺寸器件而言，由于內腔較小，總體內腔氣體較少，所以很低的水汽就會造成水汽檢測超標，內部水汽控制存在難度。故本文針對小尺寸器件導電膠裝片、金錫合金封裝的常見工藝提出了水汽控制的措施。

二、水汽含量的來源及其影響

器件水汽含量來源主要有以下三方面因素：

1、器件內部材料含有水汽，在后續篩選使用的高溫環境中逐漸釋放，導致內腔水汽超標；

2、封裝環境控制不足，氮氣純度不高導致水汽含量不合格；

3、器件密封性能差，無法完全隔絕外部環境，致使外部環境的水汽滲入殼體內部。

水汽含量較高時，芯片表面的水會引起器件電性能的劣化，腐蝕金屬化系統，降低器件可靠性，并最終導致產品失效。

在電性能劣化方面，主要原因是水汽會在芯片形成帶有正、負離子的水膜，離子導電導致漏電流增加，參數超差，甚至失效。

在腐蝕金屬化系統方面，主要原因是器件芯片與外引線連接是采用細的鋁線鍵合的方法形成互連。較高的水汽會在電場作用下發生電解，對鋁系統造成腐蝕，導致電路開路。

三、水汽含量控制措施

1、原材料控制

金錫合金倒置型封裝工藝主要原材料包括芯片、管殼、芯片粘接材料導電膠、鍵合材料，以及封裝材料金錫合金焊片。由于水分子的親和力及與固體表面之間的吸引力作用，空氣中水分子會容易吸附在原材料表面。陶瓷管殼的表面很粗糙，凹凸不平，而凹陷處更容易積聚水分子。

所有原材料的儲存環境應對濕度進行控制，防止過多水汽吸附。

芯片和管殼在使用前通過烘焙去除材料表面吸附的水汽，烘焙可以在充高純氮氣或抽真空烘箱內進行。一般烘焙的溫度越高，真空度越低，時間越長，效果越好。因此，在不影響材料性能和可靠性的條件下，盡量提高烘焙溫度，以達到更好的效果。同時，最好選擇充氮氣和抽真空二者結合，以真空烘烤為主，周期性充氮氣抽真空，可以保證真空環境下更低的水汽含量，確保將水汽和氧氣等從產品表面吸出。

芯片粘接材料—導電膠高溫下釋放氣體，選擇高溫下失重更小的高溫導電膠，并在裝片后進行充分固化。考慮真空下對導電膠進行烘焙會使導電膠內外壓差較大，氣流擾動大，容易在導電膠表面出現孔洞，故選擇在高純氮氣的烘箱內進行烘焙。

2、封裝環境控制

封裝臺操作箱內通入的是99.999%的高純度氮氣，理想情況是可以滿足水汽低于5000ppm 的要求。但是，實際器件內部水汽含量往往偏高。經分析，操作箱內氮氣壓強不高時，大氣中水汽會通過操作臺、操作手套的細小的孔洞進入操作箱，并附著在操作箱內壁和工裝夾具的表面，然后操作時緩慢釋放，導致操作箱內水汽含量升高。同時，由于這種封裝爐的內部氣氛較難控制，需要不斷地輸入高純度且干燥的氮氣才能保證密封工藝實現。為了避免工藝控制難度過大和資源浪費等問題，以真空/氮氣共晶爐代替封裝臺，共晶爐以自動化方式替代原來的手動方式，去除操作手套，避免操作手套高溫老化引起的漏氣，并采用計算機控制運行，能夠實時監控溫度的工藝曲線并記錄存儲，能夠對抽真空、加熱、充惰性氣體、正壓、排氣等功能進行設置及控制。

為了嚴格控制共晶爐內的水汽含量，在關閉設備前，緊閉共晶爐并充入氮氣，保證爐內壓強高于外部壓強，防止微量水汽進入附著在共晶爐內部。同時，在封裝前對共晶爐及爐內工裝夾具進行高溫烘焙，去除水汽。

3、封裝工藝控制

由于小尺寸器件的封裝沿相對較窄，人工操作難度較大，焊料過多會落入腔體形成多余物，焊料過少又會導致密封缺陷，引入水汽。故通過對比封裝效果，選用最佳尺寸的成型金錫焊環替代金錫焊料，控制焊料用量。采用倒置封裝替代正置加熱，既避免焊料落入腔體，又降低了裝片區域的加熱溫度，減少導電膠水汽釋放及老化。

在封裝過程中，如果焊片或封裝沿表面存在氧化膜、粉塵沾污或封裝位置存在未排出的氣泡，就會阻礙金屬相互滲透，留下的縫隙冷卻后形成空洞。隨著器件的使用，這種空洞會引發器件漏氣，導致水汽引入產品失效。所以，封裝前在超凈工作臺內用顯微鏡鏡檢封裝沿與金錫焊環表面，如存在多余物，用高純氮氣吹洗，不能吹洗的附著多余物可用撥針撥動或用細小的棉球擦拭，然后再用高純氮氣吹除。在封裝過程中使用模具將蓋板、焊環和底座依次放入后，用壓塊對底座施加一定的壓力，以便排出封裝位置氣泡，使底座跟蓋板更好的連接。為了找到合適的壓塊重量，采用不同重量的壓塊放在模具上，對電路施加壓力，封裝結束后，對封裝的電路進行密封和X 光檢查，選擇密封性更好、空洞率更低的壓塊重量。

四、試驗

表1 大管殼封裝條件對比試驗

試驗采用的器件殼體尺寸為3.6mm×4.5mm× 1.5mm；蓋板尺寸為3.4mm×3.4mm×0.25mm；金錫焊料預成型焊片選取尺寸為3.4mm×3.4mm×0.05mm的Au80Sn20 合金焊片[3]；器件的內腔體積為0.004cm3。

將蓋板、焊片和器件依次放入定位夾具內，壓入壓塊，放入共晶爐，經過抽真空充氮、加熱、降溫過程，完成整個密封過程。加熱曲線如圖1 所示。

小尺寸器件的內腔體積小，內部的氣體總量也減小，只要有一點水汽含量，比例就會很高。封裝時產品倒扣放置在夾具中，并在上方施加向下的力，所以封裝前如果抽真空加氮的時間或次數不夠，會導致內腔中本來的空氣和導電膠釋放的水汽不能完全排出，所以真空和充氮的時機非常重要。為了確定合適的抽真空充氮的方式，進行試驗比較內部水汽含量及封裝效果，結果如表1 所示。

由表1 可見，試驗2 的氣體換置方式最佳。根據試驗1、2 結果分析，真空烘焙有利于材料、設備表面吸附的水汽排出；根據試驗2、3 結果分析，由于氣體置換需要時間，所以如果在封裝溫度時才充入氮氣會導致內部氮氣不足，最終水汽比例上升。

以50 只器件為一批進行封裝試驗。封裝后按照GJB548 方法1014 要求進行檢漏試驗，無漏氣現象，合格率100%。隨機抽取30 只器件，按照GJB548 方法1010 要求進行溫度循環試驗，試驗條件-65℃～+150℃、保溫10min、循環200 次，溫度循環后外觀鏡檢和檢漏均合格，合格率100%。隨機抽取9 只器件按照GJB548 方法1018 要求進行內部水汽含量檢測，試驗結果如表2 所示，所有器件在歷經各類溫度試驗后水汽均低于5000ppm。

表2 內部氣氛測試結果

五、結論

采用金錫焊環封裝工藝時，通過封裝溫度、氣體壓力以及材料控制，可以使小尺寸器件的內部水汽小于5000ppm。