共蒸發法制備金錫共晶焊料環及其性能研究

李萌萌，李兆營，黃添萍

（安徽光智科技有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引 言

目前探測器封裝技術可分為芯片級、晶圓級和像元級封裝［1，2］。其中，晶圓級封裝是對整片晶圓片進行操作，因其具有封裝結構簡單、效率高、成本低且與半導體工藝兼容等優點，是目前器件封裝領域最有前景的技術［3～5］。為了提高非制冷紅外焦平面探測器器件性能，延長使用壽命，需要器件在真空環境下進行工作，因此對封裝氣密性要求較高［6］。

晶圓級封裝工藝分為光刻、深硅刻蝕、鍍膜（焊料層、增透膜以及吸氣劑等膜層）、剝離、鍵合等步驟［7］。其中，焊料層的膜層質量決定了鍵合質量的好壞，進而影響探測器的氣密性。金錫共晶（Au80Sn20）因其良好的剪切強度、抗熱疲勞性能、抗氧化性以及高焊接可靠性等優勢，廣泛應用于半導體封裝工藝中焊料層的制備［8～10］。Au80Sn20焊料的沉積技術主要分為電子束蒸發和電鍍［11］。電子束蒸發制備Au80Sn20焊料主要有2 種方式：1）交替分層蒸發金（Au）和錫（Sn）膜層，然后通過退火處理形成Au80Sn20焊料；2）共蒸發即同時蒸發Au、Sn 顆粒實現共沉積，工藝簡單不需要后續退火過程。

本文采用共蒸發法制備Au80Sn20焊料，在剝離后得到焊料環，并與非制冷紅外探測器芯片鍵合。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）、X 射線（X-ray）、振蕩測試及測漏率等方式，驗證焊料環質量。

1 Au80Sn20焊料環制備與測試方法

1.1 Au80Sn20焊料環的制備

如圖1所示，在直徑200 mm的Si（100）晶圓上通過光刻工藝刻出所需焊料環的形狀，采用電子束蒸發法先沉積150 nm 作為粘附層的鈦（Ti）和180 nm 作為阻擋層的鎳（Ni），再沉積5000 nm Au80Sn20焊料，Au80Sn20為混合均勻的質量比為4∶1的Au顆粒和Sn顆粒混合料，放置在坩堝槽內，坩堝槽材質為鎢（W）。膜層沉積后剝離去掉多余焊料，留下鍵合所需焊料環，與芯片晶圓進行鍵合。電子束蒸發沉積Au80Sn20焊料的工藝參數為：電子槍電壓10 kV，真空度低于1.0 ×10-3Pa，蒸發速率0.7 nm／s。

圖1 Au80Sn20焊料環制備及鍵合工藝示意

1.2 Au80Sn20焊料環的測試方法

使用冷場發射SEM觀察鍵合前后的Au80Sn20焊料環形貌，并使用EDS 分析焊料環成分，測試時的加速電壓為5 kV。使用原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）分析焊料環的三維表面形貌，掃描范圍為3 μm×3 μm。使用X-ray檢測觀察焊料環鍵合后及振蕩測試前后的形貌，振蕩測試使用的是航天希爾的電振動試驗系統，型號是IPA60H／LS437A／GT500M。使用測漏儀測焊料環鍵合后的漏率，型號是SRO-706。

2 實驗結果與分析

2.1 Au80Sn20焊料環微觀形貌分析

電子束蒸發沉積膜層前的預熔階段，使Au、Sn 顆粒熔化并浸潤，從表1 中可以看出，Au／Sn質量比為3.69，可以認為焊料環成分為Au80Sn20。如圖2（a）所示，Au80Sn20焊料環厚度、形貌均勻，但焊料的沉積過程分為2個坩堝槽進行，且合金的凝固過程很快，所以有一條明顯的分界線。

表1 鍵合前的Au80Sn20焊料環的Au和Sn質量比值

圖2 鍵合前／后的Au80Sn20焊料環SEM形貌

從圖2（b）中可以看出，完成所有工藝的蓋帽晶圓與芯片晶圓在真空中進行鍵合（溫度：290 ℃，壓力：3 000 N）后，焊料層分界線消失，內部組織看上去更加均勻。Sn的熔點遠低于Au，因此，在鍵合過程中的高溫作用下，焊料環外層的Sn含量會逐漸增加形成δ相（AuSn），中間層的Sn含量會逐漸減少形成ξ 相（Au5Sn），表2 中的Au／Sn 原子比驗證了此結論。

表2 鍵合后的Au80Sn20焊料環的Au和Sn原子比值

2.2 Au80Sn20焊料環表面形貌分析

如圖3（a）所示，焊料環在鍵合前厚度分布均勻，粗糙度較小，且十分致密，這為后續鍵合提供了良好的基底條件，降低了焊料鍵合時出現空洞等缺陷的概率。從圖3（b）中可以看出，焊料環鍵合后粗糙度增加，這可能是在鍵合過程中，由于溫度的升高和壓力的增大，焊料不斷地鋪展和相互浸潤，晶粒相互結合形成更大的晶粒，從而導致粗糙度的增加。

圖3 鍵合前／后的Au80Sn20焊料環AFM形貌

2.3 Au80Sn20焊料環鍵合后質量分析

如圖4（a）所示，鍵合后的焊料環無空洞、斷裂等明顯缺陷［12］，僅存在輕微溢料現象［13］。溢料現象說明焊料環在鍵合過程中正常熔化鋪展，如圖4（b）和圖4（c）所示，焊料環經過振蕩測試，溢料顆粒無脫落、無位移，不會影響芯片正常使用。經測氦漏測試，鍵合后芯片的密封性可以達到1 ×10-3Pa／（cm3·s），滿足探測器氣密性要求［8］。

圖4 鍵合后和振蕩前／后的Au80Sn20焊料環X-ray形貌

3 結 論

采用電子束蒸發法同時蒸發Au、Sn 顆粒制備了Au80Sn20焊料薄膜，與探測器芯片鍵合后，通過SEM、AFM、X-ray、振蕩測試以及測氦漏等方式進行表征，結果如下：1）鍵合后焊料環中間成分為Au5Sn，邊緣成分為AuSn，鍵合后晶粒相互結合長大；2）鍵合后焊料環無明顯缺陷，出現少量溢料，經振蕩測試，溢料無脫落、無位移，對焊料良率無影響；3）鍵合后探測器芯片氣密性達1 ×10-3Pa／（cm3·s），滿足使用要求。