葛秋玲，李云海

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

芯片粘接工藝主要有膠粘接、銀玻璃燒結(jié)和合金焊料焊接三種方式。導(dǎo)電膠粘接具有工藝簡(jiǎn)單、速度快、成本低、可修復(fù)、對(duì)芯片背面金屬化無(wú)特殊要求的優(yōu)點(diǎn)，這種工藝主要用在低頻、小功率的產(chǎn)品中；其缺點(diǎn)是電阻大、導(dǎo)熱性能差，另外由于聚合物材料在高溫下容易分解、釋放氣體，造成內(nèi)部氣氛含量過(guò)高，且機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)不如共晶焊接強(qiáng)度大，這些因素導(dǎo)致功率性能及可靠性等方面受到很大的影響，因此高頻、大功率以及航天應(yīng)用的器件主要采用合金焊料焊接的方式。

共晶焊接可以為器件提供好的機(jī)械連接和電連接，以及良好的散熱通道。共晶焊接在電阻率、導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度等性能上都大大優(yōu)于導(dǎo)電膠，如表1所示。

表1 粘接和燒結(jié)材料性能比較[3,4]

共晶焊接后孔隙率的大小是判斷粘接好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一，會(huì)直接影響芯片的散熱及可靠性。由于焊料與硅基材及陶瓷基板的CTE的差別，不同材料界面間會(huì)存在壓縮和拉伸應(yīng)力，在熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生周期性的剪切應(yīng)力，最終導(dǎo)致器件因熱疲勞而失效。

在芯片與外殼之間的焊層中，最大的熱剪切力形變?yōu)椋篠=DΔaΔT/2d。

式中，D為芯片對(duì)角線尺寸；d為焊層厚度；ΔT=Tmax－Tmin，Tmax為焊料凝固線溫度，Tmin為器件篩選中的最低溫度；Δa為芯片與基片材料的熱膨脹系數(shù)之差。

從公式中可知，芯片尺寸越大，承受的剪切應(yīng)力也就越大，焊料層越厚，剪切力就越小，AuSi、AuGe比AuSn焊料凝固線溫度高，熱剪切應(yīng)力形變要大。所以本文主要對(duì)11.5 mm×11.5 mm尺寸的大面積芯片金錫燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，針對(duì)封裝過(guò)程引起的應(yīng)力問(wèn)題從材料、工藝上采取一定的措施緩釋?xiě)?yīng)力，封裝產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)評(píng)估驗(yàn)證。

2 材料厚度應(yīng)力仿真

從熱剪切形變關(guān)系公式中可知，芯片的厚度以及焊料片的厚度等都會(huì)成為影響焊接工藝以及可靠性的關(guān)鍵因素。但為了進(jìn)一步確認(rèn)，我們通過(guò)對(duì)芯片厚度和金錫焊料厚度的應(yīng)力仿真，確認(rèn)其與應(yīng)力的關(guān)系，是否與熱剪切力形變公式中表達(dá)一致。試驗(yàn)選擇硅芯片、Au80Sn20焊料片和陶瓷外殼，三種材料的性能如表2所示。

使用仿真軟件Ansys對(duì)不同芯片厚度和焊料厚度進(jìn)行仿真，如表3所示。

表3 材料厚度的選擇（單位：μm）

仿真的結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 仿真1

圖2 仿真2

根據(jù)仿真的結(jié)果可知，降低硅片厚度和增加焊料厚度可以降低應(yīng)力。

3 圓片背面應(yīng)力去除

圓片背面減薄是通過(guò)機(jī)械磨削方式，其本身就是一種施壓、損傷、破裂、移除的物理性損傷工藝，必然會(huì)在圓片背面形成一定厚度的損傷層，而背面損傷層的存在，破壞了晶圓內(nèi)部單晶硅的晶格排列，使晶圓的內(nèi)部存在較大的應(yīng)力。晶圓內(nèi)部存在應(yīng)力的大小與損傷層的厚度成正比，所以損傷層的厚度越大晶圓內(nèi)部存在的應(yīng)力就越大。

根據(jù)應(yīng)力仿真的結(jié)果，降低硅片厚度可起到降低應(yīng)力的作用，而當(dāng)晶圓變薄時(shí)，晶圓自身抗拒應(yīng)力的能力就變?nèi)?，體現(xiàn)在晶圓外部即晶圓翹曲，如圖3所示。翹曲度與晶圓的厚度成反比，翹曲度越大，對(duì)于晶圓內(nèi)部存在的應(yīng)力越大，所以在晶圓背面金屬化或切割前必須進(jìn)行去除損傷層、釋放應(yīng)力的后處理。

圖3 晶圓翹曲

本研究采用化學(xué)濕法刻蝕技術(shù)，試驗(yàn)使用200 mm規(guī)格減薄至200 μm的圓片，腐蝕液用HF（40%wt）、HNO3（70%wt）、CH3COOH與水按一定比例混合后的溶液，工藝過(guò)程中嚴(yán)格控制腐蝕速率，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，圖4是減薄后損傷層經(jīng)30 s、120 s、180 s腐蝕后在1000倍顯微鏡下的表面狀態(tài)。由圖4可以看出，減薄的樣品表面較為粗糙，且表面存在較多直線型裂紋、微裂紋分布。隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，原來(lái)樣品表面存在的微裂紋開(kāi)始變寬，逐漸被撫平，而原來(lái)較深的直線型裂紋則在樣品表面以“V”型槽的形態(tài)留了下來(lái)。

同時(shí)對(duì)腐蝕后的翹曲度進(jìn)行了測(cè)量，表4為刻蝕前后翹曲度的比較，從表4中可看出圓片翹曲的情況有了非常大的改善，顯著地減小了圓片翹曲度。

表4 圓片翹曲度統(tǒng)計(jì)

4 超大面積芯片燒結(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 材料選擇

芯片尺寸選擇11.5 mm×11.5 mm；根據(jù)應(yīng)力仿真的結(jié)果，硅片厚度適當(dāng)降低，芯片厚度減薄為300 μm；腐蝕去應(yīng)力后圓片進(jìn)行Vi-Ni-Au背面金屬化；焊料為Au80Sn20焊料，增加焊料厚度有利于降低應(yīng)力，但焊料層越厚熱阻也將增大，綜合考慮選用厚度為76 μm的焊料層。

4.2 預(yù)處理

焊料及外殼表面被玷污或氧化會(huì)嚴(yán)重影響焊接面的浸潤(rùn)性。為增強(qiáng)浸潤(rùn)性，減少焊接空隙，提高芯片焊接強(qiáng)度，燒結(jié)前對(duì)Au80Sn20焊料和外殼進(jìn)行了預(yù)處理，采用微波等離子清洗以去除有機(jī)玷污，之后用射頻等離子清洗以去除表面氧化層。

4.3 優(yōu)選焊接壓力

共晶焊接時(shí)應(yīng)在芯片上施加一定的壓力。壓力太小或不均勻會(huì)使芯片與焊料及基板間產(chǎn)生孔隙或虛焊。壓力太大會(huì)使芯片碎裂，也會(huì)將焊料從芯片底部擠出，使焊料層厚度變薄，未起到緩釋?xiě)?yīng)力的作用。因此焊接時(shí)壓力的設(shè)計(jì)很重要，要根據(jù)芯片材料、厚度、大小進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)優(yōu)化，才能得到高質(zhì)量的焊接。本文對(duì)重力塊重量對(duì)焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

4.4 優(yōu)化燒結(jié)曲線

燒結(jié)曲線主要是試驗(yàn)不同溫度-時(shí)間的匹配，最終使焊料充分熔化但潤(rùn)濕范圍小，以保證焊料層的厚度在要求指標(biāo)內(nèi)，并保證焊接層的孔隙率要低。工藝曲線分3段：預(yù)熱、真空燒結(jié)和冷卻。預(yù)熱和冷卻階段緩慢升降溫，并在Au80Sn20焊料熔點(diǎn)附近，預(yù)熱和冷卻溫度達(dá)到260 ℃時(shí)保持2 min，減小高溫時(shí)瞬間熱沖擊以釋放焊接應(yīng)力。

4.5 可靠性試驗(yàn)

為了考核超大面積芯片燒結(jié)后是否能通過(guò)產(chǎn)品可靠性考核，樣品燒結(jié)后進(jìn)行鍵合、金錫合金封帽。

可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目包括穩(wěn)態(tài)壽命、耐濕、溫度循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械沖擊、掃頻振動(dòng)、恒定加速度等試驗(yàn)。為了驗(yàn)證經(jīng)試驗(yàn)后是否會(huì)因應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)失效點(diǎn)或芯片上出現(xiàn)裂紋，在每一項(xiàng)試驗(yàn)后都進(jìn)行電性能測(cè)試，并在最后進(jìn)行X射線檢測(cè)及高倍顯微鏡下檢查，做到全程有效監(jiān)控。

5 超大面積芯片共晶燒結(jié)試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 焊接壓力對(duì)焊料層厚度和孔隙的影響

試驗(yàn)采用靜壓式燒結(jié)芯片，作用在芯片上的壓力采用重力塊。3種重量的重力塊用同一燒結(jié)曲線進(jìn)行多次燒結(jié)；采用11.5 mm×11.5 mm的Au80Sn20焊料片和芯片、襯底鍍金外殼；燒結(jié)后觀察焊料溢料的外觀情況、測(cè)量焊料層厚度以及X射線檢測(cè)孔隙率。

圖5是不同重量的重力塊燒結(jié)后的外觀狀態(tài)，表5是樣品燒結(jié)后焊料層厚度和孔隙檢測(cè)的結(jié)果。

圖5 重力塊燒結(jié)后焊料潤(rùn)濕外形圖

表5 不同重量重力塊燒結(jié)樣品的情況

從圖1和表5檢測(cè)的數(shù)據(jù)可知，在芯片耐壓的范圍內(nèi)，隨著重力塊重量的增加，芯片周?chē)噶狭魈蕽?rùn)濕的范圍變大，溢料變多，平均孔隙率隨之減小，芯片與基板間的焊料層厚度也隨之減小?？梢?jiàn)重力塊的重量是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素之一。綜合各因素最終選擇10 gf的重力塊用于后續(xù)燒結(jié)、可靠性測(cè)試樣品。

5.2 燒結(jié)溫度對(duì)孔隙、溢料的影響

Au80Sn20焊料片尺寸為11.5 mm×11.5 mm×0.76 mm；芯片尺寸為11.5 mm×11.5 mm×0.3 mm；襯底鍍金外殼；10 gf重力塊；真空充氮燒結(jié)爐。

試驗(yàn)不同溫度燒結(jié)焊料潤(rùn)濕和孔隙率的變化，優(yōu)選溫度-時(shí)間燒結(jié)曲線。試驗(yàn)3個(gè)溫度即310 ℃、325 ℃、340 ℃，保持時(shí)間2 min，結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6中的結(jié)果可知，較厚的焊料燒結(jié)，在同樣壓力下隨著溫度增高，焊料熔融嚴(yán)重且孔隙率高。這主要是因?yàn)楹噶先廴诹魈蕰r(shí)易出現(xiàn)氣泡，導(dǎo)致孔隙變多，被擠出的焊料量多，焊料層必將變薄。表中溫值條件310 ℃、2 min時(shí)焊料流淌均勻，擴(kuò)散的范圍小、溢出料少，焊料層厚度厚，孔隙率也小，所以選擇合適的壓力和溫度可獲得比較理想的燒結(jié)效果。

5.3 Au80Sn20封帽對(duì)芯片燒結(jié)孔隙的影響

由于封帽工藝采用Au80Sn20焊料氣密性封帽，與芯片燒結(jié)焊料相同，二道工藝焊接溫度接近。為了考察芯片燒結(jié)再經(jīng)封帽高溫后是否會(huì)引起芯片焊接層孔隙變化，出現(xiàn)孔隙變大的現(xiàn)象，在封帽后對(duì)樣品進(jìn)行了X射線檢查，表7是芯片燒結(jié)后及封帽后孔隙率的對(duì)比。

從表7中可以看出，封帽前、后X射線檢查比較，焊接周?chē)耐庥^略有變化，但總孔隙率和單個(gè)孔隙的尺寸未發(fā)生大的變化，說(shuō)明前、后道工藝溫度匹配性設(shè)計(jì)得當(dāng)，工藝可應(yīng)用。

5.4 可靠性試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了考核超大面積芯片燒結(jié)后的可靠性，產(chǎn)品封裝后按表8中試驗(yàn)次序及項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，并在每項(xiàng)試驗(yàn)后都進(jìn)行電性能的測(cè)試，實(shí)時(shí)監(jiān)控失效點(diǎn)發(fā)生在哪一步，結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 芯片燒結(jié)與封帽后孔隙率對(duì)比

從表8中可知，每項(xiàng)試驗(yàn)后20只樣品電測(cè)試均合格，未因熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的失效。對(duì)經(jīng)可靠性試驗(yàn)后的20只樣品進(jìn)行X射線檢測(cè)和高倍顯微鏡下檢查，芯片焊接完好，無(wú)碎裂和隱裂紋的存在，樣品通過(guò)可靠性驗(yàn)證。

6 結(jié)論

對(duì)11.5 mm×11.5 mm超大面積芯片燒結(jié)工藝技術(shù)的研究，針對(duì)封裝過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力，從材料、工藝上采取必要的去應(yīng)力措施，產(chǎn)品通過(guò)可靠性驗(yàn)證，滿足了產(chǎn)品可靠性的要求，為超大面積芯片燒結(jié)在高頻大功率器件的應(yīng)用提供依據(jù)，特別是航天產(chǎn)品在特殊環(huán)境中有散熱、抗輻射、氣密性封裝內(nèi)部氣氛等方面高可靠性要求的應(yīng)用，具有重大意義，此研究成果可覆蓋11.5 mm×11.5 mm以下尺寸芯片燒結(jié)工藝。

表8 可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

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