楊建玲，馬 杰，金 梅，高 寧

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

聲表面波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。聲表面波技術(shù)是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)，是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門(mén)邊緣學(xué)科。由于聲表面波器件具有小型化、高可靠性、多功能、一致性好以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以在通信、廣播電視系統(tǒng)、無(wú)線遙控、雷達(dá)、空中交通管制、導(dǎo)航與敵我識(shí)別、電子戰(zhàn)、微波中繼等多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的小型化、集成化的要求越來(lái)越高，聲表面波器件的封裝技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，從有引腳插裝型（圖1所示為采用全密封TO型金屬有引腳的封裝結(jié)構(gòu)）發(fā)展為片式無(wú)引腳貼裝型（圖2所示為5mm×5mm表面貼裝無(wú)引腿的封裝結(jié)構(gòu)），其封裝尺寸越來(lái)越小，元器件的體積和重量也越來(lái)越輕，因而對(duì)聲表面波器件封裝過(guò)程的要求也越來(lái)越高。為實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，獲得高可靠性的封裝產(chǎn)品，封裝的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高。

圖1 TO型金屬有引腳的封裝器件

圖2 5mm×5mm表面貼裝的封裝器件

本文主要介紹了本單位表面貼裝聲表面波器件的封裝過(guò)程，并分析了封裝過(guò)程中可能造成的器件前期失效模式，給出相應(yīng)的控制措施以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高品質(zhì)。

2 表面貼裝聲表面波器件的封裝過(guò)程

本單位表面貼裝聲表面波器件的封裝過(guò)程主要由以下幾道工序組成：劃片、裝架、引線鍵合、平行封焊。

劃片工序是將制作在一片基片材料上的幾百至上千個(gè)芯片切割開(kāi)來(lái)。

裝架工序是將切割分離的各個(gè)芯片裝入到片式無(wú)引腳封裝載體內(nèi)，芯片與封裝載體之間采用有機(jī)硅膠予以粘接。

引線鍵合是將芯片電極與封裝載體內(nèi)電極實(shí)施互連。引線鍵合又可以分為熱壓焊、超聲焊和熱壓超聲焊三種。我們采用的是超聲焊，使用的是摻有少量硅的鋁絲。

平行封焊是將鍵合合格的封裝載體蓋上蓋板后予以氣密性的封焊。平行封焊屬于電阻焊，在封焊時(shí)，電極在移動(dòng)的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)（通過(guò)電極輪），在一定的壓力下電極之間斷續(xù)通電，使其蓋板與封裝載體焊框之間局部形成熔融狀態(tài)，凝固后形成焊點(diǎn)，從它的封焊軌跡看像一條縫，所以也稱(chēng)為“縫焊”。

3 表面貼裝聲表器件封裝失效及其分析

3.1 基本概念

正常工作的電子元器件經(jīng)過(guò)一定時(shí)間使用后喪失規(guī)定的功能稱(chēng)為失效。從質(zhì)量管理和可靠性工程角度可按產(chǎn)品使用過(guò)程對(duì)失效進(jìn)行分類(lèi)。圖3所示的失效率曲線通常稱(chēng)浴盆曲線，它表明了失效率隨使用時(shí)間的變化大致可以分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。早期失效率高的主要原因是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中的缺陷；晚期失效率高的主要原因是產(chǎn)品部件經(jīng)長(zhǎng)期使用后由于老化、疲勞、磨損、腐蝕等進(jìn)入失效期。早期失效可以通過(guò)加強(qiáng)質(zhì)量管理體系及采用環(huán)境應(yīng)力篩選等辦法來(lái)減少。

失效模式是指電子元器件失效的形式和現(xiàn)象，例如開(kāi)路、短路、無(wú)功能、參數(shù)漂移等。失效模式只表示電子元器件是怎樣失效的，不涉及電子元器件為什么會(huì)失效。

失效機(jī)理是電子元器件失效的實(shí)質(zhì)原因，是指引起電子元器件失效的物理、化學(xué)過(guò)程。

失效分析是指通過(guò)對(duì)電子元器件的失效現(xiàn)象的系統(tǒng)研究，鑒別失效模式，確定失效機(jī)理，尋求解決途徑的全過(guò)程。失效分析是電子元器件工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

3.2 失效及其分析

在這里主要針對(duì)封裝過(guò)程中可能造成的早期失效予以分析和研究。聲表面波器件普遍存在的失效模式有開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、器件電阻率超標(biāo)、器件性能變差等，其中開(kāi)路、短路所占比例在80%左右。

3.2.1 開(kāi)路

開(kāi)路失效是聲表面波器件早期失效的主要失效模式之一。在封裝過(guò)程中其主要失效機(jī)理是芯片與管殼間的互連斷開(kāi)了，也就是引線鍵合工序存在問(wèn)題。

鍵合工序是聲表面波器件封裝過(guò)程中的關(guān)鍵工序。聲表面波器件的壓電基片表面以鋁為主，而鋁絲超聲焊工藝具有不需加熱、Al2Al 系統(tǒng)不易受腐蝕、可保證相當(dāng)好的可靠性及最低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此鋁絲超聲焊工藝是聲表面波器件最主要的鍵合技術(shù)。鋁絲超聲焊工藝的缺點(diǎn)是對(duì)芯片、封裝載體等的平整度要求很高，否則不僅使焊接的接觸熱阻增大，而且會(huì)損傷芯片，嚴(yán)重時(shí)使芯片碎裂；同時(shí)要保證施加合適的壓力，壓力過(guò)大會(huì)損傷芯片。引線鍵合的質(zhì)量好壞往往通過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)判定，通常使用鍵合拉力測(cè)試（BPT）、鍵合剪切力測(cè)試（BST）。影響B(tài)PT結(jié)果的因素除了工藝參數(shù)以外，還有引線參數(shù)（材質(zhì)、直徑、強(qiáng)度和剛度）、吊鉤位置、弧線高度等。因此除了確認(rèn)BPT的拉力值外，還需確認(rèn)引線斷裂的位置。主要有五個(gè)位置：（a）第一鍵合點(diǎn)的界面；（b）第一鍵合點(diǎn)的根切部；（c）引線拱弧中間；（d）第二鍵合點(diǎn)的根切部；（e）第二鍵合點(diǎn)的界面。如圖4所示。

圖4 引線斷裂的位置圖

在鍵合過(guò)程中，也許鍵合拉力測(cè)試結(jié)果符合要求，但引線斷裂的位置在（a）、（e）處（即鍵合焊點(diǎn)撥脫芯片面），那么該器件在使用中在（a）、（e）焊點(diǎn)處仍有可能存在開(kāi)路失效的問(wèn)題。比如，由于引線鍵合超聲作用不夠，在焊點(diǎn)處金屬原子融合不充分，（a）、（e）鍵合焊點(diǎn)實(shí)際是處在虛焊的狀態(tài)；或引線鍵合時(shí)超聲功率過(guò)高，在（a）、（e）處的鍵合焊點(diǎn)下形成空洞。因此，在生產(chǎn)控制過(guò)程中，如果實(shí)施鍵合拉力測(cè)試（BPT）時(shí)發(fā)現(xiàn)引線斷裂的位置多在（a）、（e）處，那么就有必要對(duì)超聲的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以盡量確保鍵合焊點(diǎn)的牢固。

另外，鋁絲因其固有的抗彎曲性能差以及設(shè)備的設(shè)置可能不當(dāng)，鍵合參數(shù)、焊頭移動(dòng)形式、鋁絲和劈刀的選擇等方面的原因，導(dǎo)致引線的根切部（b）、（d）處比較脆弱，以至于在使用過(guò)程中引線的根切部斷裂也可能造成器件的開(kāi)路失效。鋁絲鍵合工藝的根切問(wèn)題成為鋁絲鍵合與生俱來(lái)的缺陷，也使其成為器件高可靠性要求的一大障礙。解決該問(wèn)題成為所有使用鋁絲鍵合工藝的微電子器件生產(chǎn)廠商面臨的最主要課題。

此外，鍵合過(guò)程中引線的弧線高度也可能造成器件的開(kāi)路失效。圖5為一開(kāi)路失效現(xiàn)象實(shí)例。鍵合引線將鍵合區(qū)內(nèi)的芯片鋁層局部撥脫，從而造成該器件的開(kāi)路。在分析該現(xiàn)象的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象并不是一開(kāi)始就出現(xiàn)的。所有數(shù)據(jù)表明，在鍵合過(guò)程中，鍵合拉力測(cè)試結(jié)果符合要求，引線在b、d處斷裂，鍵合后鏡檢未發(fā)現(xiàn)任何此類(lèi)現(xiàn)象。鍵合的功率、壓力和時(shí)間等參數(shù)應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。那么是什么原因造成該現(xiàn)象呢？連續(xù)分析多個(gè)同類(lèi)現(xiàn)象的器件，我們發(fā)現(xiàn)該引線處存在引線特短、引線弧線高度明顯不夠的情況。原來(lái)引線是緊繃的，在后期使用中，由于熱脹冷縮的原因，導(dǎo)致緊繃的引線將鍵合點(diǎn)處芯片鋁層局部撥脫。后來(lái)，在改變引線長(zhǎng)度和拱絲高度后，該器件再未發(fā)生同類(lèi)現(xiàn)象。

圖5 一開(kāi)路失效現(xiàn)象

可見(jiàn)，作為造成開(kāi)路失效的主要工序，鍵合工序的控制應(yīng)該把握以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)備、劈刀、鋁絲的合理選擇；

（2）超聲功率、時(shí)間和鍵合壓力的調(diào)整；

（3）合理的弧線高度；

（4）符合要求的BPT值。

3.2.2 短路

短路失效也是聲表面波器件早期失效的主要失效模式之一。其主要失效機(jī)理是芯片的叉指狀換能器（IDT）指條短接。如圖6所示。

在封裝過(guò)程中造成指條短接的主要原因是封裝過(guò)程中對(duì)芯片叉指狀換能器（IDT）的意外損傷以及封裝過(guò)程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生的異物。意外損傷可以在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)鏡檢予以控制或剔除，而異物處理卻是比較難以控制的方面。各道工序有可能在芯片表面帶來(lái)異物，如環(huán)境塵埃，劃片時(shí)產(chǎn)生的粉末雜質(zhì)，裝架時(shí)帶來(lái)的碎屑顆粒，引線鍵合時(shí)引線上脫落的細(xì)小毛刺，平行封焊時(shí)蓋板上的塵埃脫落等。這些異物不容易通過(guò)鏡檢識(shí)別出來(lái)，特別是平行封焊工序，該工序完成后，器件封裝已然完成，已不可能實(shí)施鏡檢識(shí)別。

圖7為一芯片上異物造成短路的實(shí)例。圖中造成指條短接的是一個(gè)圓圓的金屬焊球。

圖7 芯片異物造成短路實(shí)例

這個(gè)金屬焊球是怎么出現(xiàn)的呢？原來(lái)這是在平行封焊過(guò)程中產(chǎn)生的金屬飛濺物。因平行封焊實(shí)質(zhì)上是電阻焊，在焊接過(guò)程中其電阻集中在電極與蓋板接觸處，這樣脈沖電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的熱量就集中在電極接觸處，使接觸處蓋板與焊框熔融而結(jié)合在一起。當(dāng)電極與蓋板接觸時(shí)，如果因?yàn)樯w板尺寸或位置有偏差，或是封裝載體的焊框面窄，那么蓋板與封裝載體的焊框接觸面積變小，則瞬間電流過(guò)大，在此處就可能產(chǎn)生火花，從而產(chǎn)生金屬飛濺物。產(chǎn)生在載體腔內(nèi)的金屬飛濺物移動(dòng)即可造成器件短路。一般平行封焊的蓋板尺寸應(yīng)比封裝載體的焊框尺寸小0.05mm～0.2mm，且確定尺寸后同一批蓋板產(chǎn)品公差應(yīng)在±0.03mm之內(nèi)，否則平行封焊過(guò)程中的成品率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至使生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。

因此，針對(duì)封裝過(guò)程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生異物造成的短路問(wèn)題，我們采取以下措施：

（1）嚴(yán)格原材料的檢驗(yàn)；

（2）嚴(yán)格各工序的檢驗(yàn)；

（3）在封焊之前用氮?dú)獯凳靡猿タ梢苿?dòng)異物；

（4）選擇適合封裝載體使用的蓋板，確定好封焊設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)后實(shí)施平行封焊。

3.2.3 其他失效模式

聲表面波器件的其他失效模式有參數(shù)漂移、器件電阻率超標(biāo)、器件性能變差等。其失效機(jī)理主要是由于器件密封不良、器件內(nèi)部存在有害氣氛等原因造成器件內(nèi)部部件受到侵蝕，從而引起失效。而這些主要都是由于平行封焊工序存在問(wèn)題。

平行封焊工序因?yàn)樵诿芊膺^(guò)程中存在封裝載體溫升較低、不使用焊料、對(duì)器件性能影響較小、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在對(duì)溫度較敏感的電子元器件，如混合集成電路、表面安裝型石英晶體振蕩器、諧振器以及聲表面波濾波器（SAW）等電子元器件封裝中普遍采用。其封裝氣密性可達(dá)：漏率L≤1×1 0-8P a·c m3／ s（H e），是一種可靠性較高的封帽方式，可用于氣密性要求較高的封裝中。

影響平行封焊工序氣密性的主要因素有封焊工藝參數(shù)（主要包括焊接電流、焊接速度、焊接壓力等）的設(shè)置、工裝夾具的設(shè)計(jì)、電極的位置、蓋板質(zhì)量和蓋板與封裝載體的匹配等，另外封焊設(shè)備本身的可靠性也是影響封焊質(zhì)量的因素之一。

為確保器件的氣密性符合要求，在平行封焊完成后應(yīng)該對(duì)器件的氣密性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的方法主要有：（1）細(xì)檢。采用以氦氣為示蹤氣體的氦質(zhì)譜儀，借助質(zhì)譜的分析方法，通過(guò)測(cè)定真空系統(tǒng)中氦氣分壓強(qiáng)的變化來(lái)檢查封裝結(jié)構(gòu)的細(xì)微漏孔。測(cè)試時(shí)首先向封焊好的器件內(nèi)壓入氦氣，然后在真空狀態(tài)下抽出氦氣，測(cè)定所抽出氦氣的量來(lái)判定氣密性。（2）粗檢。采用碳氟化合物液體進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試時(shí)在盛放高溫（125℃±5℃）碳氟化合物液體的容器內(nèi)放入封焊好的器件（30s～60 s），根據(jù)氣泡的有無(wú)來(lái)判定氣密性。此方法只能檢查是否有孔、穴等漏洞。

另外，為了防止有害氣體侵入到器件內(nèi)部，平行封焊的操作應(yīng)在潔凈的干氮等惰性氣體氣氛中進(jìn)行，并且氣體的純度及露點(diǎn)應(yīng)符合要求。封焊之前，還應(yīng)對(duì)待封器件進(jìn)行加熱和抽真空等預(yù)操作，從而降低器件腔內(nèi)的濕度和氧氣含量。

因此，只要加強(qiáng)對(duì)影響平行封焊工序氣密性的主要因素的控制，同時(shí)確保封焊過(guò)程中的操作環(huán)境，就可以有效地提高平行封焊的氣密性和器件內(nèi)部氣氛保護(hù)性。

4 結(jié)論

總之，通過(guò)對(duì)表面貼裝聲表器件封裝的各道工序科學(xué)合理的管理控制，我們能夠有效地減少器件的早期失效。但是，僅僅如此，并不能全面有效地提高器件的可靠性。因此，在現(xiàn)在的生產(chǎn)中，我們?cè)絹?lái)越多地考慮使用新的工藝和技術(shù)。如我們開(kāi)始采用在芯片表面制作保護(hù)膜，從而根本上解決了由于封裝過(guò)程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生異物而造成的短路問(wèn)題。我們還引進(jìn)最新的倒裝焊封焊技術(shù)，從根本上提升了我們的封裝技術(shù)。

［1］武以立，等. 聲表面波原理及其在電子技術(shù)中的應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

［2］中國(guó)電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì)叢書(shū)編委會(huì). 微電子封裝技術(shù)[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.