小尺寸器件气密性封装工艺的水汽控制

一、前言

 

随着科学技术的迅速发展，对电子器件的可靠性要求越来越高。气密封装能够有效隔绝器件内部芯片与外界环境，排除外界干扰，保证了产品的可靠性，并被广泛地应用于各种应用。但其内部的水汽含量会直接影响产品的电性能和可靠性，所以内部水汽含量控制变得尤为重要。

 

《GJB597半导体集成电路通用规范》及《GJB548微电子器件试验方法和程序》规定：完成所有筛选试验之后的器件，其内部水汽含量在100℃条件下不得超过5000ppm。以往受到检测设备的限制，对于腔体体积小于0.1mm3的器件无法进行水汽检测。但目前，通过检测机构的研究攻关，已经能够对腔体体积小于0.1mm3的器件进行水汽检测，故对小尺寸器件的水汽控制提出了明确要求。

 

对于小尺寸器件而言，由于内腔较小，总体内腔气体较少，所以很低的水汽就会造成水汽检测超标，内部水汽控制存在难度。故本文针对小尺寸器件导电胶装片、金锡合金封装的常见工艺提出了水汽控制的措施。

 

二、水汽含量的来源及其影响

 

器件水汽含量来源主要有以下三方面因素：

 

1、器件内部材料含有水汽，在后续筛选使用的高温环境中逐渐释放，导致内腔水汽超标；

 

2、封装环境控制不足，氮气纯度不高导致水汽含量不合格；

 

3、器件密封性能差，无法完全隔绝外部环境，致使外部环境的水汽渗入壳体内部。

 

水汽含量较高时，芯片表面的水会引起器件电性能的劣化，腐蚀金属化系统，降低器件可靠性，并最终导致产品失效。

 

在电性能劣化方面，主要原因是水汽会在芯片形成带有正、负离子的水膜，离子导电导致漏电流增加，参数超差，甚至失效。

 

在腐蚀金属化系统方面，主要原因是器件芯片与外引线连接是采用细的铝线键合的方法形成互连。较高的水汽会在电场作用下发生电解，对铝系统造成腐蚀，导致电路开路。

 

三、水汽含量控制措施

 

1、原材料控制

 

金锡合金倒置型封装工艺主要原材料包括芯片、管壳、芯片粘接材料导电胶、键合材料，以及封装材料金锡合金焊片。由于水分子的亲和力及与固体表面之间的吸引力作用，空气中水分子会容易吸附在原材料表面。陶瓷管壳的表面很粗糙，凹凸不平，而凹陷处更容易积聚水分子。

 

所有原材料的储存环境应对湿度进行控制，防止过多水汽吸附。

 

芯片和管壳在使用前通过烘焙去除材料表面吸附的水汽，烘焙可以在充高纯氮气或抽真空烘箱内进行。一般烘焙的温度越高，真空度越低，时间越长，效果越好。因此，在不影响材料性能和可靠性的条件下，尽量提高烘焙温度，以达到更好的效果。同时，最好选择充氮气和抽真空二者结合，以真空烘烤为主，周期性充氮气抽真空，可以保证真空环境下更低的水汽含量，确保将水汽和氧气等从产品表面吸出。

 

芯片粘接材料—导电胶高温下释放气体，选择高温下失重更小的高温导电胶，并在装片后进行充分固化。考虑真空下对导电胶进行烘焙会使导电胶内外压差较大，气流扰动大，容易在导电胶表面出现孔洞，故选择在高纯氮气的烘箱内进行烘焙。

 

2、封装环境控制

 

封装台操作箱内通入的是99.999%的高纯度氮气，理想情况是可以满足水汽低于5000ppm的要求。但是，实际器件内部水汽含量往往偏高。经分析，操作箱内氮气压强不高时，大气中水汽会通过操作台、操作手套的细小的孔洞进入操作箱，并附着在操作箱内壁和工装夹具的表面，然后操作时缓慢释放，导致操作箱内水汽含量升高。同时，由于这种封装炉的内部气氛较难控制，需要不断地输入高纯度且干燥的氮气才能保证密封工艺实现。为了避免工艺控制难度过大和资源浪费等问题，以真空/氮气共晶炉代替封装台，共晶炉以自动化方式替代原来的手动方式，去除操作手套，避免操作手套高温老化引起的漏气，并采用计算机控制运行，能够实时监控温度的工艺曲线并记录存储，能够对抽真空、加热、充惰性气体、正压、排气等功能进行设置及控制。

 

为了严格控制共晶炉内的水汽含量，在关闭设备前，紧闭共晶炉并充入氮气，保证炉内压强高于外部压强，防止微量水汽进入附着在共晶炉内部。同时，在封装前对共晶炉及炉内工装夹具进行高温烘焙，去除水汽。

 

3、封装工艺控制

 

由于小尺寸器件的封装沿相对较窄，人工操作难度较大，焊料过多会落入腔体形成多余物，焊料过少又会导致密封缺陷，引入水汽。故通过对比封装效果，选用最佳尺寸的成型金锡焊环替代金锡焊料，控制焊料用量。采用倒置封装替代正置加热，既避免焊料落入腔体，又降低了装片区域的加热温度，减少导电胶水汽释放及老化。

 

在封装过程中，如果焊片或封装沿表面存在氧化膜、粉尘沾污或封装位置存在未排出的气泡，就会阻碍金属相互渗透，留下的缝隙冷却后形成空洞。随着器件的使用，这种空洞会引发器件漏气，导致水汽引入产品失效。所以，封装前在超净工作台内用显微镜镜检封装沿与金锡焊环表面，如存在多余物，用高纯氮气吹洗，不能吹洗的附着多余物可用拨针拨动或用细小的棉球擦拭，然后再用高纯氮气吹除。在封装过程中使用模具将盖板、焊环和底座依次放入后，用压块对底座施加一定的压力，以便排出封装位置气泡，使底座跟盖板更好的连接。为了找到合适的压块重量，采用不同重量的压块放在模具上，对电路施加压力，封装结束后，对封装的电路进行密封和X光检查，选择密封性更好、空洞率更低的压块重量。

 

四、试验

 

试验采用的器件壳体尺寸为3.6mm×4.5mm×1.5mm；盖板尺寸为3.4mm×3.4mm×0.25mm；金锡焊料预成型焊片选取尺寸为3.4mm×3.4mm×0.05mm的Au80Sn20合金焊片；器件的内腔体积为0.004cm3。

 

将盖板、焊片和器件依次放入定位夹具内，压入压块，放入共晶炉，经过抽真空充氮、加热、降温过程，完成整个密封过程。加热曲线如图1所示。

 

小尺寸器件的内腔体积小，内部的气体总量也减小，只要有一点水汽含量，比例就会很高。封装时产品倒扣放置在夹具中，并在上方施加向下的力，所以封装前如果抽真空加氮的时间或次数不够，会导致内腔中本来的空气和导电胶释放的水汽不能完全排出，所以真空和充氮的时机非常重要。为了确定合适的抽真空充氮的方式，进行试验比较内部水汽含量及封装效果，结果如表1所示。

由表1可见，试验2的气体换置方式最佳。根据试验1、2结果分析，真空烘焙有利于材料、设备表面吸附的水汽排出；根据试验2、3结果分析，由于气体置换需要时间，所以如果在封装温度时才充入氮气会导致内部氮气不足，最终水汽比例上升。

 

以50只器件为一批进行封装试验。封装后按照GJB548方法1014要求进行检漏试验，无漏气现象，合格率100%。随机抽取30只器件，按照GJB548方法1010要求进行温度循环试验，试验条件-65℃～+150℃、保温10min、循环200次，温度循环后外观镜检和检漏均合格，合格率100%。随机抽取9只器件按照GJB548方法1018要求进行内部水汽含量检测，试验结果如表2所示，所有器件在历经各类温度试验后水汽均低于5000ppm。

 

五、结论

 

采用金锡焊环封装工艺时，通过封装温度、气体压力以及材料控制，可以使小尺寸器件的内部水汽小于5000ppm。