基于金錫合金焊料的低空洞率真空燒結技術研究

王 猛，劉洪濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

常用的芯片粘接技術主要有導電膠粘接和共晶燒結兩種。導電膠粘接具有操作簡單、速度快、成本低、對芯片背面金屬化無特殊要求等優(yōu)點，因此主要被用在低頻、小功率的產品中。而其缺點也很明顯：電阻高，容易引起內部氣氛含量超標等；同時其機械強度也比共晶燒結要低很多。因此高頻、大功率器件主要采用共晶燒結法粘片。共晶燒結的導熱性能、導電性能及機械性能等都遠遠優(yōu)于導電膠粘接[1]。

金錫（Au80Sn20）焊料作為電子焊接材料，是目前比較理想的真空燒結焊料，其性能非常優(yōu)異。合適的熔點、優(yōu)異的漫流性保證其有著良好的焊接工藝性；較好的抗氧化性、良好的潤濕性使其可適用于免助焊劑工藝；非常大的強度、很強的抗疲勞性能使其能應用于高可靠封裝；較強的抗蠕變性、高的導熱系數(shù)又使其能應用于大功率器件的散熱封裝。

文章討論了金錫焊料燒結工藝的影響因素，并在此基礎上研究低空洞率真空燒結粘片技術的實現(xiàn)方法。

2 金錫真空燒結工藝影響因素

2.1 芯片背面金屬化

金錫（Au80Sn20）焊料與傳統(tǒng)的金硅（Au98Sn2）焊料不同。由于傳統(tǒng)的金硅焊料自身含有一定量的硅元素，并且金元素的含量較高，因此其對于硅片背面金屬化的要求較低，普通的鎳-金雙層結構或者較厚的純金結構都可以滿足其粘接要求，并且粘接效果較好。但由于其共晶溫度（363℃）較高，過高的溫度可能會對功率器件的結構造成影響，進而影響電路功能，因此目前只有很小的范圍內還在保持金硅合金粘片工藝。

金錫焊料的共晶溫度為280℃，如圖1所示[2]。如果使用普通的雙層金屬化結構或純金金屬化結構，將無法實現(xiàn)有效粘接。為了保證金錫焊料與芯片實現(xiàn)良好的粘接，芯片背面金屬需采用鈦-鎳-金或釩-鎳-金等三層金屬化結構。三層金屬化結構有利于金錫焊料的共晶成核過程，可以細化組織晶粒，提高焊料與芯片的粘接強度，進而提高粘接質量。良好的粘接質量是提高粘接面積、降低空洞率的前提。

圖1 Au-Sn二元合金相圖

2.2 原材料表面狀態(tài)

集成電路所使用的芯片、金錫合金片、陶瓷管殼等原材料的表面都有金元素存在，可以在一定程度上起到防止氧化的保護作用。但在長時間保存后不可避免地會在原材料表面發(fā)生一定程度的氧化和沾污，從而在粘片過程中影響原材料潤濕性，導致焊料熔融狀態(tài)鋪展不良，對粘接效果造成很嚴重的影響[3]。因此需對原材料進行清洗，以去除其表面的氧化層以及污物，提高粘片質量。

2.3 真空燒結工藝參數(shù)

真空燒結是指在一定的真空度下，利用熔點比被焊接材料的熔點更低的合金做釬料，通過加熱使釬料熔化，靠毛細作用將液態(tài)焊料填充到焊接接觸面的間隙中，通過液態(tài)焊料與被焊金屬之間相互擴散溶解形成金屬間化合物，最后經過冷卻形成高可靠的焊接[4]。

真空燒結溫度曲線一般由四部分組成：預熱區(qū)、保溫區(qū)、峰值區(qū)、冷卻區(qū)。預熱區(qū)主要用來對原材料進行預熱，提高焊料活性，進而保證粘接效果；保溫區(qū)主要用來保證原材料受熱均勻，減小溫差造成的影響，同時可以在助焊劑或者還原氣體的作用下去除原材料表面的氧化膜；峰值區(qū)主要用于焊料的共晶反應，生成金屬間化合物，實現(xiàn)原材料之間的焊接；冷卻區(qū)主要用于控制冷卻速度，避免冷卻速度過快或過慢影響金屬間化合物的晶粒生長，最終導致粘接強度下降等問題。

真空燒結粘片過程中的溫度、時間、壓力等參數(shù)是否合適將直接影響粘片質量。合適的溫度、時間可以保證共晶反應的充分進行，提高粘接質量；適當?shù)倪€原性氣體可以提高粘片效果[5-6]；合理施加壓力可以提高粘接面積，避免出現(xiàn)空隙或虛焊的情況[7]，從而降低空洞率。

3 金錫真空燒結工藝研究

3.1 原材料選擇

金錫焊料成分為Au80wt%Sn20wt%，主要形式有焊帶、焊膏和預成型片等。由于金錫共晶焊料很脆，焊帶不適宜再次加工成型；焊膏的成分中有助焊劑，也不適用于功率器件的組裝過程；預成型片可以保證焊料用量并且使用方便，故此試驗中采用預成型片進行真空燒結。預成型片的大小與芯片面積一致，厚度為50μm。硅芯片尺寸為2.0mm×1.5mm，背面采用Ti-Ni-Au多層金屬化結構，外殼為鍍Au的陶瓷管殼。

3.2 原材料處理

為了保證良好的粘接效果，并在最大程度上降低空洞率，需要對原材料進行充分的處理，一方面處理掉其表面的沾污與氧化層，另一方面提高原材料表面潤濕性，使得共晶反應更加充分。

清洗方式可以采用普通的丙酮、乙醇溶劑超聲清洗與等離子清洗相結合的方式進行。采用丙酮、乙醇等有機溶劑對材料進行超聲清洗，可以有效去除材料表面的有機沾污及灰塵。再通過等離子清洗技術，選用惰性氣體作為反應氣體，利用等離子體中活性粒子的“活化作用”去除殘留的有機沾污及表面的氧化物，改善合金片、芯片背金面及管殼鍍金層的浸潤性，提高粘接質量，降低空洞率。

3.3 真空燒結工藝研究

真空燒結工藝參數(shù)的選擇直接影響粘片質量以及空洞率情況。為了保證良好的粘片效果，應該選擇合適的預熱溫度，并進行充足的預熱，避免預熱不足產生空洞的情況。同時選擇合適的燒結溫度與時間，避免溫度不足導致無法充分反應或時間過長、反應過度等情況的出現(xiàn)。降溫過程也很重要，從峰值溫度降到260℃左右的過程是晶粒細化、提高粘接強度和韌性的過程，此過程的時間長短直接影響最終的共晶反應情況，并影響粘片效果及空洞率。

根據資料[6-8]，通過壓塊的方式提供適當?shù)膲毫σ部梢栽谝欢ǔ潭壬显龃笳辰用娣e。另外，為了提高粘接效果，在真空燒結過程中，可以通入適量的還原性氣體，進一步提高原材料潤濕性，進而提高粘接質量，降低空洞率。

采用控制變量法以及正交試驗等方法，對溫度、時間、壓力等參數(shù)進行對比試驗，確定合理的工藝參數(shù)范圍，并在此基礎上進行優(yōu)化，最終確定最佳的工藝參數(shù)，再通過批量的產品驗證工藝的可行性以及穩(wěn)定性，最終形成完整的金錫真空燒結粘片工藝。

4 實驗結果

4.1 還原性氣體作用

實驗結果及樣品在實驗后的外觀樣態(tài)由圖2、圖3、圖4及圖5所示。可以看出還原性氣體不僅影響焊料的流淌性，同時也對粘接空洞率有很大的影響，適當?shù)氖褂眠€原性氣體有利于提高粘片質量，降低空洞率。

圖2 不使用還原性氣體的外觀情況

圖3 不使用還原性氣體X射線檢測結果

圖4 使用還原性氣體的外觀情況

圖5 使用還原性氣體X射線檢測結果

4.2 壓塊作用

使用壓塊后，用X射線進行檢測，與不使用壓塊的情況有明顯的差別，其外觀差異情況的對比如圖6與圖7所示。由這兩幅圖中可以看出，在增加了壓塊以后，粘接的質量會有很大的提高，合理地施加壓力可以進一步提高粘接質量，降低空洞率。

圖6 不使用壓塊X射線檢測結果

圖7 使用壓塊X射線檢測結果

4.3 工藝參數(shù)確定

根據多組對比實驗結果，最終得到最佳的工藝曲線，如圖8所示。金錫焊料的共晶溫度為280℃，根據實驗結果，其焊接溫度應比共晶溫度高出30～50℃(即約 310～330℃)，高溫保持 3～5min 粘接效果最好，同時降溫速率越快，形成的晶核越細密，粘接質量越好，空洞率越低。

圖8 工藝曲線示意圖

5 結束語

金錫真空燒結粘片的質量與燒結曲線、原材料狀態(tài)、還原性氣體等因素有關，合理的選擇各種參數(shù)條件有利于提高粘片質量，降低空洞率。通過對以上因素的分析，結合相關對比實驗，最終得到低空洞率的金錫真空燒結技術方法。

隨著對金錫工藝技術研究的深入，其應用范圍將越來越廣，與之相關的集成電路性能也將越來越穩(wěn)定、可靠?；谝陨涎芯砍晒芍笇О雽w大功率器件的設計和制造，提升微組裝能力，滿足軍品高可靠性要求，為微電子領域產品小型化和大功率化做出重大貢獻。同時，研究成果在行業(yè)內具有可借鑒性，為今后多溫度梯度共晶貼片技術和更高可靠性貼片技術等技術研究奠定理論和工藝基礎。

[1]烏爾里克，布朗.高級電子封裝：第2版[M].李虹，張輝，郭志川，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010.ULRICH R K,BROWN W D.Advanced Electronic Packaging[M].2nd ed.LI Hong,ZHANG Hui,GUO Zhichuan,et al,transl.Beijing:China Machine Press,2010.

[2]周濤，鮑勃，奧德，等.金錫焊料及其在電子器件封裝領域中的應用[J].電子與封裝，2005,5(8):5-8.ZHOU Tao,BOBAL T,OUD M,et al.Au-Sn solder and its application in electronic device packaging field[J].Electronics&Packaging,2005,5(8):5-8.

[3]龐婷，王輝.真空共晶焊接技術研究[J].電子工藝技術，2017,38(1):8-11.PANG Ting,WANG Hui.Study on vacuum eutectic welding technology[J].Electronics Process Technology,2017,38(1):8-11.

[4]杜長華,陳方.電子微連接技術與材料[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.DU Changhua,CHEN Fang.Electronic micro-connection technology and materials[M].Beijing:China Machine Press,2008.

[5]羅頭平,寇亞男,崔洪波.微波功率芯片真空焊接工藝研究[J].電子工藝技術,2015,36(4):225-227.LUO Touping,KOU Ya'nan,CUI Hongbo.Study on vacuum welding technology of microwave power chip[J].Electronics Process Technology,2015,36(4):225-227.

[6]劉生發(fā),陳晨,熊杰然,等.AuSn20共晶合金釬料制備工藝研究進展[J].特種鑄造及有色合金,2017,37(9):952-956.LIU Shengfa,CHEN Chen,XIONG Jieran,et al.Research progress on preparation technology of AuSn20 eutectic alloy brazing filler metal[J].Special Casting&Nonferrous Alloys,2017,37(9):952-956.

[7]陳波，丁榮崢，明雪飛，等.共晶焊料焊接的孔隙率研究[J].電子與封裝,2012(11):9-12.CHEN Bo,DING Rongzheng,MING Xuefei,et al.Study on porosity of eutectic solder welding[J].Electronics&Packaging,2012(11):9-12.

[8]王昭,雷軍,譚昊,等.基于mini-bar的二極管激光器焊接實驗研究[J].強激光與粒子束,2016,28(8):9-12.WANG Zhao,LEI Jun,TAN Hao,et al.Experimental study on diode laser welding based on mini-bar[J].High Power Laser and Particle Beams,2016,28(8):9-12.