混合集成電路金屬外殼—玻璃封接工藝優化及機理分析

楊文波，王宇飛＊，宋 瑞，韓坤炎，程 坤

（西安賽爾電子材料科技有限公司，陜西 西安 710201）

集成電路產業作為戰略性、基礎性和先導性產業，是國家信息安全保障和經濟社會發展的關鍵[1]。玻璃與金屬的封接是制備混合集成電路外殼的重要環節，其封接特性直接影響到封接器件的氣密性、可靠性以及絕緣性等各項性能。在一定的高溫下，高粘度的玻璃液會與金屬的表面發生一系列化學反應，在兩者的界面處形成化學鍵[2-4]，化學鍵的形成過程與玻璃組分聯系緊密。因此當玻璃的熱膨脹系數滿足封接要求時，玻璃的化學組成以及封接工藝條件對于封接性能都有著至關重要的影響。

本文選取SiO2-B2O3-Al2O3系封接玻璃作為基礎玻璃材料，通過前期的實驗研究，采用外加Cr2O3的方式，制備出添加Cr2O3的SiO2-B2O3-Al2O3系適用于混合集成電路金屬外殼用封接玻璃，進一步研究混合集成電路的封接工藝對封接性能的影響，通過對產品氣密性、絕緣電阻、耐電壓、封接拉力等性能分析，確定制備混合集成電路金屬外殼的最佳封接工藝參數。

1 實驗

1.1 潤濕角性能實驗

通過“紐扣實驗”研究玻璃和混合集成電路金屬外殼之間的潤濕角隨封接溫度的變化，通過潤濕角的大小來測定玻璃的封接溫度范圍。

1.2 封接行為實驗

采用鏈式氣氛燒結爐進行封接，燒結溫度分別選定900℃～1000℃，高溫區燒結時間30min，升溫、高溫、降溫、冷卻進氮區氮氣流量分別為25、25、45、45L/min，出口氣幕氮氣流量為60L/min條件下進行實驗。

1.3 性能和特征分析

采用國產型號為“SFJ-231”氦質譜檢漏儀對封接產品氣密性進行檢漏；采用型號為“MS2670DN”耐電壓測試儀進行耐壓測試；采用型號為“UT512”絕緣電阻測試儀進行絕緣性能測試；采用型號為“WDW-100”電子萬能試驗機對產品的封接拉力進行測試分析。采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型掃描電鏡對經過封接產品試樣的表面形貌和顯微組織進行檢測分析。

2 結果與討論

2.1 玻璃與金屬之間的潤濕性能研究

通過“紐扣實驗”研究封接玻璃和金屬外殼之間潤濕角隨溫度的變化規律，確定最佳封接溫度，玻璃和金屬外殼之間的潤濕角隨溫度變化如表1所示。

表1 不同溫度下玻璃與金屬之間的潤濕角(保溫30min)

結合表1和圖1可以看出，當溫度低于960℃，玻璃與金屬之間的潤濕角隨溫度的升高逐漸減小，960℃時，玻璃與金屬之間的潤濕角為40.3°，此時，潤濕角小于45°。當溫度升高至980℃時，潤濕角反而略有增大，溫度升高至1000℃時，潤濕角升高到46.2°。當可伐合金封接溫度低于920℃，合金表面氧化層較薄，氧化程度較弱，氧化膜的主要成分為FeO。當爐溫升高至960℃，由于爐中微氧化氣氛的存在，氧化膜厚度繼續增加，氧化膜中的Fe3O4和Fe2O3含量不斷增多，氧化膜的外層部分Fe3O4溶解到玻璃中，高價氧化物Fe3O4化學鍵與玻璃類似，親和性較好，均與可伐合金結合牢固。當溫度升至980℃，潤濕角反而有所增大，由于溫度的持續升高，氧化膜越來越厚，結構疏松，粘附性變差，導致與玻璃的粘度逐漸降低，此時氧化膜更易溶解到玻璃中，間接降低內層FeO含量，氧化膜層容易在金屬表層脫落，濕潤性能降低；當溫度升至1000℃，潤濕角繼續增大，潤濕性能持續變差，此時玻璃黏度更低，金屬表面的氧化膜繼續增厚，并且氧化膜外層中的Fe2O3含量更多，內層FeO含量繼續降低，金屬表面的氧化層更容易脫落[5-7]，所以此時玻璃與金屬之間的潤濕角繼續增大，潤濕性能進一步變差。

圖1 封接溫度對潤濕性的影響

2.2 封接溫度確定

封接是玻璃熔化后填充兩者之間的間隙或在金屬表面上完全鋪展開，實際上就是玻璃液與金屬表面發生化學反應生成化學鍵的過程[8]，而燒結指的是在一定的溫度下，材料內部固—固相之間或者固—液相之間進行反應的一個過程，燒結溫度在材料的軟化點附近開始，低于熔融溫度下進行[9]。

從表1可以看出，隨著玻璃封接溫度逐漸提高到960℃，玻璃與金屬的潤濕角開始小于45°，滿足玻璃與金屬封接。為確定最佳的封接溫度，將裝配好的混合集成電路金屬外殼置于鏈式氣氛燒結爐中在不同溫度下進行封接，封接完成以后對產品進行檢測結果如表2所示。

表2 不同封接溫度下混合集成電路金屬外殼的封接質量

從表2可以看出，1#、2#、3#封接溫度偏低，玻璃流動性較差，難以潤濕金屬殼體，封接處漏封，經過氣密性檢測，發生漏氣，絕緣電阻以及耐電壓測試、封接強度及抗熱震性等指標均未達標；4#封接溫度適宜，玻璃與金屬潤濕良好，可填滿封接區域，且玻璃表面無氣泡，封接拉力達到389N，氣密性、電絕緣性能以、耐電壓測試及抗熱震性等均達到標準要求；5#和6#的封接溫度較高，玻璃可以填滿封接區域，但溫度過高，玻璃中的氣體不能達到一個平衡狀態，表面存在較多氣泡，尤其是6#樣品，表面甚至出現開口氣泡，氣密性檢測漏氣，且5#和6#樣品經抗熱震性能檢測，芯柱與玻璃封接界面處均出現裂紋，封接溫度高導致金屬氧化過度，氧化層過厚易脫層，芯柱抗拉強度出現下降趨勢。因此，最佳封接溫度為960℃，與玻璃和金屬之間的潤濕角測試結果一致。

2.3 封接件的微觀區域分析及機理分析

采用線切割的方式將封接完成后的區域切割，并經水砂紙進行預磨和拋光，去離子水和酒精依次清洗表面，烘干后進行掃描電鏡觀察分析。

2.3.1 封接件的掃描電鏡分析

圖3（a）為封接玻璃體的掃描電鏡圖，圖3（b）為玻璃體和殼體的掃描電鏡圖。從圖3（a）可以看出，封接完成后的玻璃體致密，無裂紋等缺陷，內部僅出現個別小的氣泡，未形成連續的氣泡，且分布散開，封接效果良好。圖3（b）可以看出，玻璃體和殼體之間的封接界面輪廓清晰，連接緊密，連接處沒有氣泡，因此封接強度較高。

圖3 (a)封接玻璃體的掃描電鏡圖

圖3 (b)玻璃體和殼體的掃描電鏡圖

2.3.2 封接界面處的EDS能譜分析

圖4為殼體和玻璃體連接界面的能譜圖，插圖為試樣能譜分析的掃描電鏡圖。從圖5可以看出，殼體一側的Fe元素含量較多，到封接界面處Fe元素含量并未直接消失，呈現逐漸減少的趨勢，此時玻璃一側的Si元素含量也逐漸減少，延伸到殼體一側。表明在封接過程合中金的Fe元素遷移擴散到玻璃中，玻璃中主要是Si元素的遷移，兩者形成鐵硅化合物。高溫封接過程中，金屬表面的氧化物層（主要是Fe的氧化物層）逐漸溶解到玻璃液中，并在與殼體。接觸的玻璃表層形成一定的濃度梯度，隨著表層氧化物不斷溶解到玻璃液中，一方面表層氧化物的含量逐漸減少，內部的金屬又不斷被氧化，另一方面擴散到玻璃中的Fe元素與玻璃中的Si元素反應生成鐵硅化合物，同時玻璃中的高活性氧化物Cr2O3也會促進這種氧化還原反應不斷進行[10]，隨著時間的延長，與金屬接觸的玻璃表面中Fe含量達到飽和狀態，此時整個界面之間的化學反應也會達到平衡，玻璃與金屬之間形成穩定的化學鍵[11，12]，完成殼體與玻璃的封接。

圖4 殼體和玻璃體連接界面的能譜圖；插圖為試樣能譜分析的掃描電鏡圖

3 結論

（1）960℃時玻璃與金屬的潤濕性能最好，封接件在置于鏈式氣氛燒結爐中在960℃下高溫區保溫30min后可完成高質量封接，封接高溫區域的氮氣通入量為45L/min。

（2）對封接后混合集成電路金屬外殼進行性能檢測，其泄漏率≤1.0×10-9Pa?m3/s、絕緣電阻≥5.0×109Ω（DC：500V）、耐電壓≥5000V，封接拉力≥389N，各項物理性能指標優異，滿足使用需求。

（3）EDS結果顯示，封接后玻璃與金屬中的元素相互遷移，在封接界面處形成金屬鍵、離子共價鍵共存的混合區域，封接效果顯著提升。