極低水汽含量的封裝工藝研究進(jìn)展

遲雷，桂明洋，焦龍飛，安偉，劉濤

（1.中國電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，石家莊 050051； 2. 國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，石家莊 050051）

引言

密封半導(dǎo)體器件的內(nèi)部氣氛是其環(huán)境適應(yīng)性及可靠性的重要影響因素，其中水汽含量是危害較為嚴(yán)重的一種內(nèi)部氣氛，過量的內(nèi)部水汽含量會引起包括腐蝕、離子粘污、電遷移、金屬遷移、機(jī)械損傷、介質(zhì)分層等失效[1,2]。早在上世紀(jì)七八十年代，國外先進(jìn)廠商關(guān)于密封器件封裝工藝的研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，能夠?qū)⑺靠刂圃?00 ppm 以下，并提出在超高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域，200 ppm 是其水汽含量控制的極限，該極限指標(biāo)是由當(dāng)時(shí)先進(jìn)制造商能實(shí)現(xiàn)的水平和測試極限能力綜合確定的[3]。我國在器件內(nèi)部水汽含量的控制工藝方面起步較晚，長期以來與國外先進(jìn)水平存在較大差距。中國電科十三所報(bào)道了一批封裝于1984 年的國產(chǎn)半導(dǎo)體器件的試驗(yàn)，其內(nèi)部水汽含量為（2.3~11.4）%[4]。直到上世紀(jì)末，器件內(nèi)部水汽含量問題才逐漸在國內(nèi)引起重視，1999 年，信息產(chǎn)業(yè)電子第五研究所先后開展了軍用密封元器件內(nèi)部水汽含量的比對測試和普查分析，結(jié)果證實(shí)了國外元器件內(nèi)部水汽含量都在500 ppm 以下[5]，但即使以小于5 000 ppm 為合格判據(jù)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)器件的不合格率仍達(dá)73 %[6]。

為縮小與國際領(lǐng)先水平間的差距，近年來國內(nèi)眾多半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)廠家和檢測機(jī)構(gòu)持續(xù)開展低水汽封裝方面的研究。到2015 年，國產(chǎn)器件的水汽含量合格率已經(jīng)達(dá)到89.9 %[7]。時(shí)至今日，國內(nèi)半導(dǎo)體廠商封裝工藝不斷發(fā)展，逐步將多種產(chǎn)品水汽含量控制在（200~500）ppm。本文梳理了低水汽封裝的基本原理，并介紹我國電子器件低水汽封裝工藝的發(fā)展脈絡(luò)和新技術(shù)發(fā)展方向。

1 水汽的來源與影響

1.1 水汽氣氛的來源

密封器件內(nèi)部的水汽至少包括三個(gè)來源：一是封裝時(shí)環(huán)境氣氛中的水汽，二是空氣中的水汽通過封裝漏孔滲入，三是基板、外殼和其他封裝材料吸附的水汽在封裝后緩慢釋放，或是吸附的其他氣氛發(fā)生反應(yīng)逐漸生成水汽。隨著封裝工藝的發(fā)展，前兩個(gè)來源目前都得到了有效控制，進(jìn)一步降低器件水汽含量的重點(diǎn)和難點(diǎn)在材料吸附水汽的去除。

1.2 水汽含量隨時(shí)間的劣化

空氣中的水汽含量可達(dá)20 000 ppm，理想狀態(tài)下器件內(nèi)部水汽含量會以負(fù)指數(shù)形式逐漸逼近該值。但實(shí)際上，絕大部分器件內(nèi)部不可避免會存在吸水物質(zhì)或毛細(xì)吸附結(jié)構(gòu)，使水汽含量上升速度更快，甚至于水汽含量與時(shí)間函數(shù)的理論極限是線性的[8]，這也是必須在5 000 ppm 基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低產(chǎn)品水汽含量的一個(gè)重要原因。

目前的封焊方式已經(jīng)相對成熟，繼續(xù)通過優(yōu)化封焊方式降低漏率難度越來越大。且任何封焊方式都不能將漏率完全控制為0，水汽含量在（2 000~4 000）ppm 的合格產(chǎn)品，在貯存運(yùn)輸過程中，其水汽含量可能在數(shù)個(gè)月內(nèi)超標(biāo)。只有將封裝后水汽含量控制在幾百ppm，才能在較長時(shí)間內(nèi)保證水汽含量不超過5 000 ppm 的合格限。根據(jù)理論預(yù)測，水汽含量在200 ppm 左右的陶瓷封裝產(chǎn)品，采用低溫?zé)Y(jié)的方式密封，內(nèi)部水汽含量保持在5 000 ppm 以下的時(shí)間可達(dá)10 年以上[9]。

1.3 水汽的影響

水汽通常與其他應(yīng)力耦合作用，如凝露、結(jié)霜是低溫條件下的水汽引起的，水汽加速腐蝕則是在電應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的。

部分半導(dǎo)體器件對水汽非常敏感，這些效應(yīng)常與低溫或快速溫變有關(guān)，常見的是宇航應(yīng)用的晶振和繼電器，如果晶振內(nèi)部水汽含量較高，低溫下會產(chǎn)生水汽凝露，改變晶體的核質(zhì)比，使晶振輸出不穩(wěn)甚至停振[10]，而繼電器則面臨轉(zhuǎn)軸部位結(jié)冰，造成功能失效[11]。

另一方面是腐蝕效應(yīng)，水汽加速鋁金屬化層的腐蝕[12]的反應(yīng)式非常經(jīng)典，被廣泛討論：

水汽加速腐蝕的機(jī)理是在材料表面凝結(jié)，并形成可能僅有數(shù)個(gè)單分子層的電解液膜，在電場作用下形成腐蝕電流，理論上水汽含量越高，腐蝕速度越快。早期的研究指出，維持這種反應(yīng)需要1.7 %的水汽[3]，而現(xiàn)今的合格產(chǎn)品已不再有如此高的水汽含量，該反應(yīng)可能不再是水汽的主要危害。

還有一種更重要的腐蝕效應(yīng)是金遷移，其機(jī)理與鋁金屬化層的腐蝕具有一定相似性，同樣是水汽形成電解液薄膜，腐蝕性氣氛使電場中的陽極金屬溶解。不同的是鋁以外的金屬不存在致密氧化物膜，腐蝕將持續(xù)發(fā)生，金屬離子在電場作用下逐漸向陰極遷移[13]，形成導(dǎo)電通路，使器件絕緣耐壓性能下降，嚴(yán)重時(shí)最終會引起短路失效，這種效應(yīng)存在更廣泛，危害也更嚴(yán)重。

對絕大部分器件而言，實(shí)現(xiàn)（200~500）ppm 的極低水汽含量對器件可靠性的提升作用非常明確。但也另有一種觀點(diǎn)認(rèn)為少量的水汽（約1 000 ppm 以上）反而有助于形成致密的薄膜，抑制鋁被進(jìn)一步腐蝕[12]，同時(shí)也有研究指出，水汽含量低于200 ppm 時(shí)，可能造成中小功率繼電器觸電粘結(jié)，不能正常釋放[11]。因此在一些特殊應(yīng)用場景下，水汽含量也并不總是越低越好，水汽優(yōu)化方案應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的性狀來確定。

2 低水汽封裝的工藝控制措施

2.1 外殼制備

外殼制備工藝對實(shí)現(xiàn)500 ppm 以下的極低水汽含量是十分關(guān)鍵的，但沒有引起足夠的重視。傳統(tǒng)上總是認(rèn)為通過短暫的烘焙，外殼表面吸附的水汽很容易就被去除干凈，但實(shí)際情況要復(fù)雜得多。

半導(dǎo)體器件最常見的封裝有金屬-玻璃外殼、金屬-陶瓷外殼和塑封。其中塑封材料易吸水，對塑封器件而言細(xì)檢漏和內(nèi)部水汽含量均沒有意義。金屬外殼、陶瓷外殼都會涉及電鍍，而電鍍是在水溶液中進(jìn)行的，少量水汽會被封閉在鍍層內(nèi)[14]，部分外殼還會進(jìn)行多層電鍍。這部分水汽很難快速去除，但會在器件長時(shí)間高溫工作時(shí)緩慢釋放出來。要有效去除這部分水汽，除延長封裝前的烘焙時(shí)間外，還應(yīng)該加強(qiáng)外殼制備過程中的工藝控制，即在每道電鍍工藝后增加高溫烘焙，并且烘焙條件應(yīng)在材料本身穩(wěn)定性允許的情況下應(yīng)盡量加嚴(yán)，其意義不僅是去除外殼鍍層中的水汽，更重要的是去除外殼材料吸收的氫。

可伐合金是最常用的金屬外殼材料，可伐合金會溶解部分氫氣（分子極小的氫滲入金屬內(nèi)部）。因?yàn)閭鹘y(tǒng)上在外殼制備工藝中會采用氫氣作為還原性保護(hù)氣體，氫溶解的問題相當(dāng)嚴(yán)重。這些氫氣會在封裝完成后持續(xù)緩慢釋放，本身就具有嚴(yán)重危害。關(guān)于氫氣是否會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水汽一直存在爭議，在常溫下氫氣生成水的反應(yīng)速率非常緩慢，理論上經(jīng)過多年生成的水汽仍低于可檢測的水平[14]。然而，有催化劑的情況下這個(gè)反應(yīng)則會快速發(fā)生，半導(dǎo)體器件內(nèi)部材料成分非常復(fù)雜，不僅有能溶解氫的合金材料，還存在多種雜質(zhì)，其中可能存在起到催化劑作用的成分，如外殼材料中常見的鎳在摻雜某些雜質(zhì)后即可作為氫氧化反應(yīng)的催化劑。根據(jù)可伐合金封裝器件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著高溫貯存，器件內(nèi)部氫含量大幅升高，這是由氫溶解于可伐合金并在高溫下釋放引起的，同時(shí)水汽含量升高、氧氣含量不升反降[15]，氧氣含量下降表明在鍍金的可伐合金封裝器件內(nèi)極有可能發(fā)生了氫生成水的反應(yīng)。因此，控制外殼吸附、溶解的氫也是實(shí)現(xiàn)極低水汽的必要措施。

2.2 基板選型

器件、組件常用的基板材料是羅杰斯基板，但羅杰斯基板結(jié)構(gòu)疏松，且表面積大，吸附的水汽很難去除干凈，存在類似問題的還有氧化鋁基板。要實(shí)現(xiàn)極低水汽封裝，最好選用低吸水率的陶瓷基板或玻璃基板。有部分新型產(chǎn)品采取了將基板外置的方式，避免基板吸附的水汽對產(chǎn)品內(nèi)部氣氛造成影響，如圖1 所示。

圖1 一種將基板外置的封裝形式

2.3 貼裝方式

貼裝方式有導(dǎo)電膠和燒結(jié)，含有環(huán)氧樹脂的導(dǎo)電膠是一種易吸水材料，但在某些器件中是必需的材料，一般通過適當(dāng)?shù)墓袒に嚳梢越档蛯?dǎo)電膠的水汽含量。然而，導(dǎo)電膠引入的水汽含量還與封焊方式有關(guān)，焊接時(shí)的高溫會造成導(dǎo)電膠中的有機(jī)物-水聚合物發(fā)生分解[16]，此過程產(chǎn)生的水汽將直接被封裝在產(chǎn)品內(nèi)腔中，無法再排出。因此，如果產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中使用了導(dǎo)電膠，則采用冷壓焊方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)平行封焊、熔封焊等，有助于避免導(dǎo)電膠分解引起的水汽超標(biāo)。如果不使用導(dǎo)電膠，采用燒結(jié)的方式固定內(nèi)部芯片或元件，則情況相反，在芯片和材料能承受的前提下，采用操作溫度最高的熔封焊反而能實(shí)現(xiàn)最低的水汽含量[17]。

2.4 烘焙工藝

高溫烘焙是去除水汽的最有效手段，外殼、基板和其他材料吸附的水汽都是如此。除了溫度、時(shí)間等傳統(tǒng)條件的優(yōu)化選擇，烘焙的關(guān)鍵在于抽真空-充氮?dú)獾难h(huán)清洗工藝。該種工藝的早期報(bào)道見于晶體管封裝，通過抽真空和充氮?dú)獾臄?shù)次交換，晶體管水汽含量接近國際先進(jìn)水平[18]。類似的烘焙工藝也被用于晶體振蕩器，由于晶體振蕩器的晶體、焊點(diǎn)等結(jié)構(gòu)無法承受過高溫度，烘焙溫度一般需控制在（125~150）℃，難以大幅提高，則可通過增加抽真空-充氮?dú)庋h(huán)清洗次數(shù)降低產(chǎn)品的水汽含量[10,19]。針對這種耐溫能力受限的元件，一種改良工藝方法是先以較高溫度（可達(dá)300 ℃左右）烘焙外殼和蓋板[20]，再進(jìn)行通常的抽真空-充氮?dú)庋h(huán)清洗的方式，如圖2 所示。外殼和蓋板的高溫烘焙不僅去除水汽，更關(guān)鍵的在于除氫，這對于無法控制制備工藝外購?fù)鈿ず蜕w板而言尤為重要，烘焙全程在真空下進(jìn)行即可，為了避免過快溫升對外殼和蓋板造成損傷，溫度可呈階梯式上升。烘焙完成后降溫到（125~150）℃，在圖2 虛線時(shí)刻，將預(yù)處理后的其他芯片、元件真空轉(zhuǎn)運(yùn)至高溫倉，繼續(xù)進(jìn)行抽真空-充氮?dú)庋h(huán)清洗。

圖2 改良工藝的溫度與氮?dú)鈮簭?qiáng)時(shí)序

3 低水汽封裝的前沿技術(shù)

目前極低水汽封裝相關(guān)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，一些新技術(shù)可能有助于實(shí)現(xiàn)更低的水汽含量指標(biāo)。

3.1 干燥與水汽捕集

含硅（Si）合金焊料的應(yīng)用有助于降低封裝內(nèi)部水汽含量，因?yàn)镾i 可以與水汽發(fā)生反應(yīng)，這類焊料能起到干燥劑的作用，使封裝后的水汽含量下降[11]。但也有研究指出，封裝內(nèi)部存在干燥劑時(shí)水汽隨漏率的劣化會隨之加快，在高溫下這部分水汽仍會析出[6]?；诋a(chǎn)品體積和溫度穩(wěn)定性的考慮，在封裝內(nèi)部加入額外的干燥劑降低水汽含量的方案極少被實(shí)際應(yīng)用。

相比于上述方案，在真空烘焙艙內(nèi)進(jìn)行干燥顯然有助于高效率去除水汽，但頻繁更換干燥劑會對工藝路線造成干擾，深冷式水汽捕集技術(shù)將有望改善該問題。這種技術(shù)主要依靠超低溫實(shí)現(xiàn)，通過機(jī)械式制冷，在真空環(huán)境下將水汽吸附到捕集表面。與化學(xué)式干燥劑相比，最突出特點(diǎn)是深冷水汽捕集過程是可逆的，便于支持工藝過程的連續(xù)運(yùn)行。該技術(shù)的初衷是為了提高某些真空系統(tǒng)的真空度，據(jù)報(bào)道，水汽幾乎是真空系統(tǒng)中最難去除的氣體，當(dāng)真空度高于1*10-4Pa 時(shí)，殘余氣體中的水蒸氣高達(dá)（65~95）%，由此可知氮?dú)庋h(huán)清洗過程并不能將水汽等比例排出，這也是氮?dú)庋h(huán)清洗必須反復(fù)進(jìn)行的原因所在。通過該類技術(shù)捕集真空條件下的水汽，將可能有助于高效率實(shí)現(xiàn)更低的水汽含量指標(biāo)。

3.2 真空或低氣壓封裝

密封器件包含高純氮?dú)夥庋b和真空封裝等類型，其主要目的都是為了隔絕水汽等有害氣氛對芯片和材料的腐蝕破壞。目前水汽含量指標(biāo)主要是就純氮?dú)夥庋b而言的，真空封裝器件內(nèi)部被認(rèn)為基本不存在水汽，但實(shí)際上這是一種誤區(qū)。因?yàn)椴牧衔綒怏w緩慢釋放等效應(yīng)，真空封裝器件內(nèi)部仍然不可避免會存在水汽。

真空封裝內(nèi)部水汽的危害可能與高純氮?dú)夥庋b有所不同，這方面的研究尚不充分，其中一種顯而易見的危害機(jī)理是，某些宇航產(chǎn)品需要保持一定的工作溫度，需要內(nèi)部加熱電路和隔熱設(shè)計(jì)，對宇航產(chǎn)品而言功耗是相當(dāng)關(guān)鍵的指標(biāo)，內(nèi)部水汽含量的上升會降低隔熱性能，因而增加產(chǎn)品的功耗。

關(guān)于真空封裝器件的水汽含量，主要技術(shù)瓶頸在于缺乏可靠的測試技術(shù)，產(chǎn)品的水汽含量指標(biāo)無從驗(yàn)證，工藝優(yōu)化缺乏直觀參照。該項(xiàng)測試技術(shù)在近年來取得了一定突破，有部分相關(guān)發(fā)明專利獲得了公開，隨著這些技術(shù)的授權(quán)和應(yīng)用，該問題將有望得到改善。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)部水汽含量的來源及影響、工藝控制措施及前沿技術(shù)。水汽來源主要有封裝時(shí)的氣氛殘留、材料吸附和環(huán)境中水汽的緩慢滲漏，水汽對產(chǎn)品可靠性的影響是多方面的，典型危害為鋁腐蝕和金遷移腐蝕。封裝工藝中的外殼制備、基板選取、貼裝方式和烘焙是對降低水汽含量比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前已經(jīng)有了適當(dāng)?shù)墓に嚳刂拼胧?，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù)有水汽捕集技術(shù)與真空封裝水汽測試技術(shù)，將有助于進(jìn)一步降低水汽含量。