AuSn20焊料在集成電路密封中形成空洞的研究*

馬艷艷，趙鶴然，田愛民，康 敏，李莉瑩，曹麗華

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032；2.沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽 110866；3.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

1 引言

AuSn20是一種常見的無鉛焊料，常用于集成電路的芯片粘結和陶瓷外殼密封。當Au和Sn的質量分數分別為80%和20%時，在278℃的較低溫度下即可完成共晶反應，也不需要助焊劑[1-2]。這種焊料導熱率和剪切強度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料，又以其較高的穩定性、耐腐蝕性和潤濕性，在高可靠的氣密封裝中應用廣泛[3-4]。

空洞是一種較為常見的密封質量隱患，它的存在會使產品的封蓋強度和氣密性降低，隨著服役時間的延長，極易誘發多種致命的失效模式。高可靠器件對密封空洞控制有嚴格要求。AuSn密封過程復雜且伴隨著空洞的生成和消散，在反應的不同階段空洞產生的機理并不唯一。空洞形成的影響因素有多種，包括溫度曲線、焊接壓力、原材料表面狀態、焊料環設計、焊接氣氛等[5-6]。此外，柯肯達爾效應是化合物間形成空洞的一個重要原因[7-8]。

針對空洞的形成問題，文章闡述了AuSn20焊料在高可靠陶瓷外殼密封過程中的反應過程，開展了空洞的形貌觀察，討論了幾種典型空洞的微觀形貌、形成機理及抑制措施。

2 AuSn20焊料密封反應過程

AuSn20焊料密封反應過程發生在蓋板（可伐合金）、AuSn20焊料環、陶瓷管殼之間，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 密封結構示意圖

AuSn20焊料工藝曲線包括升溫AB、保溫BC、升溫CD、保溫DE、降溫EF 5個階段，如圖2所示。由于AuSn20焊料與管殼、蓋板及其鍍層之間有良好的潤濕性，一般不易出現由不潤濕導致的空洞。同時，在升溫和保溫階段，管殼、蓋板鍍層會向熔融焊料中熔解、擴散。在降溫階段，焊料從熔融狀態共晶成為固態，密封空洞也在這個階段最終形成。

圖2 密封工藝曲線示意圖

3 空洞觀察方法

AuSn20焊料環本身的厚度只有50μm，焊縫內空洞的尺寸更小，一般在幾個微米的量級。一般采用X射線照相的方式，從宏觀上整體觀察焊料環區域，給出總體空洞率或單個空洞尺寸占焊縫設計寬度的百分比。此外，也可以采用超聲掃描的方法去探測密封區域的空洞。

若需要更為直觀地觀察空洞，則必須對樣品進行破壞性物理分析。可以對待觀察樣品先鑲嵌成規則樣塊，然后用研磨機研磨，到達目標區域后再剖光，然后進行SEM觀察，為了增強觀察效果，還可以腐蝕、噴金等等。

圖3為樣品研磨位置和觀察截面的示意圖。可以解剖到研磨位置1，從觀察方向1來觀察焊縫的端面，得到由焊料環內部到外部的截面圖；也可以解剖到研磨位置2，從觀察方向2觀察焊縫的整個側面區域。

圖3 界面觀察位置

圖4給出了從研磨位置1觀察到的焊縫端面微觀結構。從圖中可以看出，大量空洞彌散在焊縫內，未呈現集聚狀態，較大的空洞長度在60μm左右，較小的空洞不足5μm。空洞均位于焊縫中間區域，在焊縫與母材界面處未發現由潤濕不良引起的空洞。

圖5給出了另一只電路樣品從研磨位置2觀察到的焊縫側面微觀結構。從圖中可以看出，該電路封蓋焊接過程中控制較好，焊縫中未見明顯空洞，焊縫的高度約35μm，與焊料環的初始高度50μm相比略有下降。

圖4 焊縫端面的微觀結構

圖5 焊縫側面的微觀結構

4 幾種典型空洞

4.1 環狀空洞

在采用AuSn20焊料環封蓋的樣品X射線照相圖片上可以發現幾種密封空洞，其中最典型的是環狀空洞，如圖6所示。這類空洞并非是單個的，而是非常均勻地出現在焊料環的四周，分布在位于焊料環內側、離焊料環內側邊緣有一段距離的區域，多個空洞連接成線，構成環狀。

圖6 X射線觀察環狀空洞

因為焊料凝固和空洞形成的過程不易直觀觀察到，目前尚沒有人確切地指出環狀空洞的形成機理。很可能是由于焊料在降溫階段存在溫度梯度，環境溫度先于內腔氮氣降低到共晶點以下，此時焊料a端先結晶凝固，如圖7所示。隨著溫度的繼續降低，內腔氮氣壓強逐步下降，焊料與蓋板之間的潤濕平衡被打破，對焊料b端產生進一步向內的趨勢，直至溫度也達到共晶點。在爭奪當中，空洞在c處長大。同時，焊料環寬度與焊縫寬度差距較大，導致密封過程中焊料量不足，難以鋪滿密封區，這也是形成空洞的原因。

圖7 環狀空洞的形成機理

一些機構嘗試增加焊料用量，可以起到減弱環狀空洞的效果，或在密封區域不變的前提下減小焊縫寬度，可以大幅降低空洞率，不過這樣也容易導致焊料爬蓋，或因焊料過多而引發顆粒噪聲問題。也有機構嘗試增加焊接壓力，這對抑制空洞的形成很有效，但同時也會引起焊料內溢，為顆粒噪聲埋下隱患。

消除環狀空洞是一個系統性工程，需要做好蓋板、焊料環比例、結構設計，并采用適當的焊接壓力。首先，在不引起顆粒噪聲的前提下，應盡量設計更多的焊料，可以按照等體積法來計算：熔化后厚度30μm，熔化后鋪滿密封區，熔化前焊料環厚度50μm，推導出理想的焊料環寬度。進一步，考慮到環狀空洞出現的位置總是在靠近內腔的區域，因此應該將焊料環設計在密封區偏內側的位置，從而有針對性地對內側提供充足的焊料。對于常見的陶瓷外殼，壓力在3～5 N為優選。壓力過小導致縫隙大，焊料熔融后填隙能力差；壓力過大又會導致蓋板變形等問題，引發扇形空洞。

4.2 扇形空洞

另一種比較典型的空洞是扇形空洞，這類空洞多出現在焊料環的轉角處，如圖8所示。

圖8 扇形空洞

扇形空洞在大尺寸電路中較為常見，其形成原因主要是：在施加封蓋壓力時，夾具往往作用在蓋板中心區域，其下方正是管殼的空腔，這會導致蓋板發生輕微變形。大尺寸電路封蓋時所需施加的焊接壓力也較大，其變形程度也較大，這使得蓋板在轉角處翹曲，導致4個轉角處蓋板與管殼之間的距離要比4個邊及中間區域大。這導致焊接壓力在焊料上的不均勻分布，如圖9（a）所示。在焊接壓力不足的情況下，轉角處焊料流速降低，呈現縱向堆積，如圖9（b）所示。這樣一來，填滿同樣大小的面積轉角處就需要更多的焊料量。但轉角區域的焊料是有限的，焊料缺少的部分就形成了大量空洞。另一種形成扇形空洞的原因是原材料造成的密封壓力不均勻，早期的陶瓷外殼制備工藝不成熟，金屬化密封區的狀態差，表現為陶瓷基體的平面度較差，這樣即使提供了相對均勻的密封壓力，作用在平面度較差的密封區后也會形成焊接壓力不均勻的狀況，導致扇形空洞。

解決這類空洞的主要方法是避免蓋板發生翹曲。有的機構采用倒封方式完成密封，將蓋板放置在載物臺上，管殼在蓋板上，再在管殼背面放置重塊等物體，施加密封壓力，這樣可以避免蓋板形變。

此外，在密封過程中，給蓋板增加不易形變的墊片也是一個好方法。這樣，密封壓力首先作用在墊片上，再通過墊片均勻施加在蓋板上，避免壓力過大而不均勻導致的蓋板變形。此外，早些年有研究表明，陶瓷外殼金屬化密封區的狀態也很重要，如果做金屬環扇形空洞就不會出現。同時，若原材料金屬化密封區的狀態差，可以在密封區加裝平面度較高的金屬環。

圖9 焊料力學與流體仿真分析

4.3 氣泡狀空洞

圖10給出了一種大量彌散在焊縫區域中的空洞。這類空洞由眾多小的空洞組成，這些空洞在焊料環外邊緣處開始滋生，并向內側蔓延。對焊縫進行剖面觀察，結果如圖11所示，從圖中可以看出，大量大小不一的氣泡狀空洞彌散在焊縫中，焊縫的高度甚至高于焊料環的初始厚度，并且蓋板鍍鎳層與焊縫之間的界面變得不確定。

氣泡狀空洞的形成機理主要是密封溫度過高，焊料熔融時間過長。在保持其他條件不變的情況下，將密封峰值溫度從310℃逐步增加，可以觀察到氣泡狀空洞帶的變化趨勢。起初只能在靠近密封區外側邊緣位置找到個別微小的氣泡狀空洞；隨著峰值溫度增加到330℃，氣泡狀空洞沿著密封區外側邊緣位置開始聚集；當峰值溫度繼續增加，氣泡狀空洞帶的寬度開始向內蔓延，直至鋪滿整個密封區。適當降低密封溫度可以減少氣泡狀空洞，降低焊縫高度[6]。

此外，在外殼制作工藝中，如果沒有特別提出排氫要求，在密封時易轉化為焊縫中的空洞。這是因為在高溫密封過程中，本體和鍍層有氣體釋放出來或者污染物裂解形成氣泡。主要應對措施是在密封前預先高溫烘焙原材料以排除不良因素。

圖10 氣泡狀空洞

圖11 氣泡狀空洞形貌

5 結論

文章介紹了AuSn20密封陶瓷外殼的過程中觀察密封空洞的方法，列舉了環狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞。

消除環狀空洞的關鍵在于做好蓋板、焊料環比例、結構設計，從而對焊料環內側充分補充焊料，避免空洞。扇形空洞的成因主要是焊料環轉角處受壓力不足，應盡量避免蓋板翹曲，從而使密封壓力均勻施加在蓋板、焊料環上。氣泡狀空洞形成的主要因素是密封峰值溫度，在保證氣密性的前提下采用較低的密封峰值溫度是一個良好的選擇。