AuSn20焊料在集成電路密封中形成空洞的研究

轉(zhuǎn)自：SMT技術網(wǎng)；作者：馬艷艷 趙鶴然等

摘要：

高可靠集成電路多采用AuSn20焊料完成密封，在熔焊過程中焊縫區(qū)域往往產(chǎn)生密封空洞，這對電路的氣密性和蓋板焊接強度產(chǎn)生影響，從而造成可靠性隱患。介紹了AuSn20焊料密封陶瓷外殼的過程，闡述了兩種從不同方向制樣和觀察密封空洞的方法，列舉了環(huán)狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞，并闡述了這幾種空洞的微觀形貌、形成機理及抑制措施。

關鍵詞: 密封;空洞;金錫合金;焊料

01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(zhì)量分數(shù)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(wěn)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(zhì)量隱患，它的存在會使產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生的機理并不唯一?？斩葱纬傻挠绊懸蛩赜卸喾N，包括溫度曲線、焊接壓力、原材料表面狀態(tài)、焊料環(huán)設計、焊接氣氛等。此外，柯肯達爾效應是化合物間形成空洞的一個重要原因。   

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。

02AuSn20焊料密封反應過程

    AuSn20焊料密封反應過程發(fā)生在蓋板（可伐合金）、AuSn20焊料環(huán)、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EF5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(xiàn)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(tài)共晶成為固態(tài)，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

03空洞觀察方法

    AuSn20焊料環(huán)本身的厚度只有50 u m，焊縫內(nèi)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(huán)區(qū)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(qū)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(guī)則樣塊，然后用研磨機研磨，到達目標區(qū)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?？梢越馄实窖心ノ恢?，從觀察方向1來觀察焊縫的端面，得到由焊料環(huán)內(nèi)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(qū)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(nèi)，未呈現(xiàn)集聚狀態(tài)，較大的空洞長度在60 u m左右，較小的空洞不足5 um?？斩淳挥诤缚p中間區(qū)域，在焊縫與母材界面處未發(fā)現(xiàn)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35um，與焊料環(huán)的初始高度0 u m相比略有下降。

04幾種典型空洞
4.1 環(huán)狀空洞   

在采用AuSn20焊料環(huán)封蓋的樣品X射線照相圖片上可以發(fā)現(xiàn)幾種密封空洞,其中最典型的是環(huán)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(xiàn)在焊料環(huán)的四周，分布在位于焊料環(huán)內(nèi)側、離焊料環(huán)內(nèi)側邊緣有一段距離的區(qū)域,多個空洞連接成線,構成環(huán)狀。

圖6X射線觀察環(huán)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(huán)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(huán)境溫度先于內(nèi)腔氮氣降低到共品點以下，此時焊料a端先結晶凝固,如圖7所示。隨著溫度的繼續(xù)降低,內(nèi)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(chǎn)生進一步向內(nèi)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(huán)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(qū),這也是形成空洞的原因。

圖7 環(huán)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(huán)狀空洞的效果，或在密封區(qū)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(fā)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(nèi)溢，為顆粒噪聲埋下隱患。   

消除環(huán)狀空洞是一個系統(tǒng)性工程，需要做好蓋板、焊料環(huán)比例、結構設計，并采用適當?shù)暮附訅毫ΑＪ紫?，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30 u m，熔化后鋪滿密封區(qū)，熔化前焊料環(huán)厚度50 u m，推導出理想的焊料環(huán)寬度。進一步，考慮到環(huán)狀空洞出現(xiàn)的位置總是在靠近內(nèi)腔的區(qū)域，因此應該將焊料環(huán)設計在密封區(qū)偏內(nèi)側的位置，從而有針對性地對內(nèi)側提供充足的焊料。對于常見的陶瓷外殼，壓力在3~5N為優(yōu)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(fā)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(xiàn)在焊料環(huán)的轉(zhuǎn)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(qū)域，其下方正是管殼的空腔，這會導致蓋板發(fā)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(zhuǎn)角處翹曲，導致4個轉(zhuǎn)角處蓋板與管殼之間的距離要比4個邊及中間區(qū)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(zhuǎn)角處焊料流速降低，呈現(xiàn)縱向堆積，如圖9(b）所示。這樣一來，填滿同樣大小的面積轉(zhuǎn)角處就需要更多的焊料量。但轉(zhuǎn)角區(qū)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(qū)的狀態(tài)差，表現(xiàn)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(qū)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(fā)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?qū)е碌纳w板變形。此外，早些年有研究表明，陶瓷外殼金屬化密封區(qū)的狀態(tài)也很重要，如果做金屬環(huán)扇形空洞就不會出現(xiàn)。同時，若原材料金屬化密封區(qū)的狀態(tài)差，可以在密封區(qū)加裝平面度較高的金屬環(huán)。

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(qū)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(huán)外邊緣處開始滋生，并向內(nèi)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(huán)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。

圖10 氣泡狀空洞形貌

圖11 氣泡狀空洞

05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(huán)狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞。    消除環(huán)狀空洞的關鍵在于做好蓋板、焊料環(huán)比例、結構設計，從而對焊料環(huán)內(nèi)側充分補充焊料，避免空洞。扇形空洞的成因主要是焊料環(huán)轉(zhuǎn)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(huán)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。

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