陶瓷封裝電路內(nèi)部水汽的穩(wěn)定性控制(XXXX0515)

陶瓷封裝電路內(nèi)部水汽的穩(wěn)定性控制摘 要：簡述了集成電路陶瓷封裝內(nèi)部水汽含量的不穩(wěn)定性，主要是由粘接材料導電膠在高溫下分解釋放出的水汽所造成的。不同的封裝溫度內(nèi)部水汽含量不一樣。說明導電膠應充分固化，盡可能在較低的溫度下進行封蓋。1 引言隨著電子裝備和系統(tǒng)對可靠性和使用期的要求不斷提高，對于集成電路的質(zhì)量和可靠性以及壽命貯存期提出了更高要求。目前集成電路內(nèi)部水汽已成為影響可靠性的一個重要因素，對集成電路封裝的水汽含量已有明確的要求。根據(jù)GJB597A-96 半導體集成電路總規(guī)范3.5.1條及GJB548A-96微電子器件實驗方法和程序方法1018條規(guī)定：“完成所有篩選試驗之后的器件，其內(nèi)部水汽含量在100條件下不得超過510 -3”1。集成電路封裝內(nèi)部如果含有一定的水汽，有可能吸附在芯片表面，吸附的水膜會呈現(xiàn)導電性，在電場作用下導致漏電流增加，尤其是水中溶入的一些雜質(zhì)和污染物，會引起pn結(jié)反向漏電流增加、反向擊穿電壓下降、表面反型、電流放大系數(shù)衰退，使得器件電性能變化或退化，而電特性退化常呈現(xiàn)飽和特性，當器件特性有余量時不易發(fā)現(xiàn)，沒有余量時就會發(fā)生特性退化2。水汽吸附在芯片表面，在通電情況下，在電場作用下，金屬鋁膜將會發(fā)生電化學反應而對鋁膜造成腐蝕，這是以原電池形式的兩個電極過程而進行的。由于水是良好的電介質(zhì)，并且由于溶解于水中的鹽類的水解作用，加速了電化學反應。當水中含有Cl-，F(xiàn)-，P-，Na+等離子時，會加速鋁的腐蝕。而鋁腐蝕一旦開始，就會不斷腐蝕下去直到斷條，嚴重影響器件的可靠性和壽命。此種現(xiàn)象同樣也會出現(xiàn)在壓焊點和壓焊的硅鋁絲上3。2 內(nèi)部水汽的來源IC封裝內(nèi)部水汽的來源主要有兩個方面，一是來自封裝環(huán)境氣氛中的水份，二是來自封裝管殼和芯片表面吸附的水份以及粘接材料中的水份。由于水分子的親和力，水汽在管殼腔體或芯片表面容易吸附形成一層水分子膜。尤其是封裝管殼的內(nèi)表面粗糙，存在凹凸不平，而凹陷處對水分子的吸附力遠大于平面處的吸附力，因此在表面的凹陷處水分子容易集聚。IC芯片粘接材料大部分用的是導電膠，其內(nèi)部吸收有大量的水份，在高溫下會逐步釋放出來。3 控制措施（1）為控制水汽含量，要求在封裝過程中在高純氮氣的氣氛中進行封蓋以解決因環(huán)境問題造成的水汽含量超標。即封裝氣氛為純氮氣。（2）為了解決管殼和表面吸附的水汽，電路在封蓋前要經(jīng)過預烘、烘焙等多次高溫烘烤，以去除表面吸附的水汽。（3）要解決由于芯片在粘接時采用導電膠，在器件密封后導電膠會釋放出水汽使腔體內(nèi)水汽含量超標。主要采取以下措施：逐步提高導電膠的固化溫度，適當延長固化時間，使之所含水汽盡可能的釋放。如固化溫度先80,2 h然后在150 4 h，最后200，8 h，使導電膠中所含的水分徹底揮發(fā)。4 檢驗結(jié)果對集成電路內(nèi)部水汽含量進行專題研究和技術(shù)攻關后，采用各種不同的封裝工藝和不同的材料生產(chǎn)的集成電路經(jīng)電子五所元器件可靠性研究分析中心檢驗，檢驗結(jié)果見表16。實驗中所用的封裝管殼均采用宜興鐘山公司生產(chǎn)的軍標管殼，其他材料為宜興鐘山公司生產(chǎn)的軍標鍍金蓋板、北京有色研究所產(chǎn)錫基焊環(huán)，和從美國進口的帶有錫金焊料的鍍金蓋板做比較。所有的實驗對于電路的前期處理和烘烤以及導電膠的固化條件全部相同，只是封蓋的條件不同。5 結(jié)果討論（1）平行縫焊的優(yōu)點是低溫封蓋，水汽指標能夠保證。如表6所示,其水汽含量不到1010-4 。但平行縫焊只能夠封裝薄蓋板（0.1mm），而熔封焊可以封裝厚蓋板（0.3mm）。平行縫焊封裝的薄蓋板（0.1mm）的電路在做例行實驗的機械實驗時，由于蓋板較薄，機械強度不夠，容易引起蓋板變形塌陷，造成例試通不過。所以用薄蓋板平行縫焊工藝不能滿足軍標產(chǎn)品要求，目前還是采用的熔封焊工藝，用0.3mm的鍍金厚蓋板以滿足機械要求。（2）同樣采用熔封焊工藝，從表1和表2可以看出，只要采用適當?shù)墓に?，水汽含量完全過關，水汽含量在1010-4左右，且比較穩(wěn)定。（3）采用進口帶有錫金焊料的鍍金蓋板進行封蓋時,由于錫金焊料的熔化溫度要求大于340，所以必須采用350的工藝溫度，則造成水汽含量的不穩(wěn)定，如表3、表4所示,不管采用國產(chǎn)還是進口的導電膠，其水汽含量從20 10-4到7010-4不等。而為了做對比實驗，采用同一批電路同條件同一批生產(chǎn)封裝，內(nèi)部為空封，沒有管芯和導電膠，其水汽含量在5 10-4以下（如表5）。說明當封蓋溫度較高時，水汽含量開始變大，且出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，有個別電路甚至出現(xiàn)超標現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要是由導電膠在高溫下釋放水汽造成的。（4）導電膠的外觀為液型銀白色糊狀物。其體電阻率：90%。導電膠的成分：銀粉（含量超過80%）、環(huán)氧樹脂、改性劑聚酰亞胺、有機溶劑（松油醇和乙二醇丁醚醋酸脂）、胺類固化劑。有機溶劑 （松油醇和乙二醇丁醚醋酸脂）和胺類固化劑在200左右時揮發(fā)。所以在導電膠固化時這些溶劑所含的水分基本上都已揮發(fā)。環(huán)氧樹脂，環(huán)氧類物質(zhì)是親水性的，其吸收水分較多，在高溫下會釋放出水汽，同時造成環(huán)氧類內(nèi)部出現(xiàn)空洞，使粘接性能下降。環(huán)氧類物質(zhì)在低溫下就可揮發(fā)水汽，在高溫下仍會繼續(xù)釋放水汽，所以必須進行長時間低溫烘烤和一定時間的高溫烘烤。但即使如此，經(jīng)實驗證明，導電膠在封蓋時過高的高溫仍會繼續(xù)釋放水汽，造成水汽含量的不穩(wěn)定。如表3和表4（分別采用國產(chǎn)和進口導電膠），同時當封裝封蓋溫度超過一定溫度時（400以上），由于環(huán)氧類物質(zhì)類物質(zhì)在高溫下會繼續(xù)釋放出水汽以及聚酰亞胺的熱分解會造成大量環(huán)氧類內(nèi)部空洞，從而使粘接性能明顯下降直至失效（如2mm 2的芯片在300以下烘烤15min后剪切力為5kg，在400以上烘烤會下降到2kg以下）。而同一批做對比實驗的電路內(nèi)沒有導電膠的產(chǎn)品則水汽含量卻只有5 10-4，如表5。說明導電膠在高溫下釋放水汽是引起內(nèi)部水汽含量不穩(wěn)定的主要因素。6 結(jié)語根據(jù)以上分析和實際工藝實驗驗證，解決水汽問題要注意以下幾點：（1）導電膠的固化要由不同溫度不同時間從低到高進行長時間固化，以盡可能的將其所含的水分揮發(fā)；（2）導電膠固化后，封蓋前先將電路短時間置于較高溫度（接近封蓋溫度）下進行穩(wěn)定性烘培，使得其導電膠內(nèi)部的水汽進行釋放，然后