陶瓷封裝電路內(nèi)部水汽的穩(wěn)定性控制
（天水天光半導(dǎo)體有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000）
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(dǎo)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(dǎo)電膠應(yīng)充分固化，盡可能在較低的溫度下進(jìn)行封蓋。
關(guān)鍵詞：集成電路，水汽含量，穩(wěn)定性
中圖分類號：TN305.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-353X(2005)07-0047-03
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(gè)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(dǎo)體集成電路總規(guī)范》3.5.1條及GJB548A-96《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》方法1018條規(guī)定：“完成所有篩選試驗(yàn)之后的器件，其內(nèi)部水汽含量在100℃條件下不得超過5×10 -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(huì)呈現(xiàn)導(dǎo)電性，在電場作用下導(dǎo)致漏電流增加，尤其是水中溶入的一些雜質(zhì)和污染物，會(huì)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)
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(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而對鋁膜造成腐蝕，這是以原電池形式的兩個(gè)電極過程而進(jìn)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(xué)反應(yīng)。當(dāng)水中含有Cl-，F(xiàn)-，P-，Na+等離子時(shí)，會(huì)加速鋁的腐蝕。而鋁腐蝕一旦開始，就會(huì)不斷腐蝕下去直到斷條，嚴(yán)重影響器件的可靠性和壽命。此種現(xiàn)象同樣也會(huì)出現(xiàn)在壓焊點(diǎn)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(gè)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(yuǎn)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(dǎo)電膠，其內(nèi)部吸收有大量的水份，在高溫下會(huì)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?dú)獾臍夥罩羞M(jìn)行封蓋以解決因環(huán)境問題造成的水汽含量超標(biāo)。即封裝氣氛為純氮?dú)狻?
（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(yù)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(shí)采用導(dǎo)電膠，在器件密封后導(dǎo)電膠會(huì)釋放出水汽使腔體內(nèi)水汽含量超標(biāo)。主要采取以下措施：逐步提高導(dǎo)電膠的固化溫度，適當(dāng)延長固化時(shí)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(dǎo)電膠中所含的水分徹底揮發(fā)。
4 檢驗(yàn)結(jié)果
對集成電路內(nèi)部水汽含量進(jìn)行專題研究和技術(shù)攻關(guān)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(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1~6。實(shí)驗(yàn)中所用的封裝管殼均采用宜興鐘山公司生產(chǎn)的軍標(biāo)管殼，其他材料為宜興鐘山公司生產(chǎn)的軍標(biāo)鍍金蓋板、北京有色研究所產(chǎn)錫基焊環(huán)，和從美國進(jìn)口的帶有錫金焊料的鍍金蓋板做比較。所有的實(shí)驗(yàn)對于電路的前期處理和烘烤以及導(dǎo)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(diǎn)是低溫封蓋，水汽指標(biāo)能夠保證。如表6所示,其水汽含量不到10×10-4 。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(shí)驗(yàn)的機(jī)械實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于蓋板較薄，機(jī)械強(qiáng)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(biāo)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(jī)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(dāng)?shù)墓に?，水汽含量完全過關(guān)，水汽含量在10×10-4左右，且比較穩(wěn)定。
（3）采用進(jìn)口帶有錫金焊料的鍍金蓋板進(jìn)行封蓋時(shí),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(jìn)口的導(dǎo)電膠，其水汽含量從20 ×10-4到70×10-4不等。而為了做對比實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)電膠，其水汽含量在5 ×10-4以下（如表5）。說明當(dāng)封蓋溫度較高時(shí)，水汽含量開始變大，且出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，有個(gè)別電路甚至出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要是由導(dǎo)電膠在高溫下釋放水汽造成的。
（4）導(dǎo)電膠的外觀為液型銀白色糊狀物。其體電阻率：<5×10-4Ω·cm；不揮發(fā)物>90%。
導(dǎo)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(jī)溶劑（松油醇和乙二醇丁醚醋酸脂）、胺類固化劑。
有機(jī)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(shí)揮發(fā)。所以在導(dǎo)電膠固化時(shí)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(huì)釋放出水汽，同時(shí)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(huì)繼續(xù)釋放水汽，所以必須進(jìn)行長時(shí)間低溫烘烤和一定時(shí)間的高溫烘烤。但即使如此，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)電膠在封蓋時(shí)過高的高溫仍會(huì)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(jìn)口導(dǎo)電膠），同時(shí)當(dāng)封裝封蓋溫度超過一定溫度時(shí)（400℃以上），由于環(huán)氧類物質(zhì)類物質(zhì)在高溫下會(huì)繼續(xù)釋放出水汽以及聚酰亞胺的熱分解會(huì)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(huì)下降到2kg以下）。而同一批做對比實(shí)驗(yàn)的電路內(nèi)沒有導(dǎo)電膠的產(chǎn)品則水汽含量卻只有5 ×10-4，如表5。說明導(dǎo)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(shí)際工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決水汽問題要注意以下幾點(diǎn)：
（1）導(dǎo)電膠的固化要由不同溫度不同時(shí)間從低到高進(jìn)行長時(shí)間固化，以盡可能的將其所含的水分揮發(fā)；
（2）導(dǎo)電膠固化后，封蓋前先將電路短時(shí)間置于較高溫度（接近封蓋溫度）下進(jìn)行穩(wěn)定性烘培，使得其導(dǎo)電膠內(nèi)部的水汽進(jìn)行釋放，然后再取出進(jìn)行封蓋操作，有利于水汽含量的穩(wěn)定；
（3）封裝溫度應(yīng)盡可能的低（根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明封裝溫度最好不要超過300℃），以減少環(huán)氧樹脂在高溫下的水汽釋放。
經(jīng)過以上工藝改進(jìn)后，連續(xù)做多次實(shí)驗(yàn)和正式的生產(chǎn)，水汽含量基本上穩(wěn)定在20×10-4以下，滿足了GJB548A的要求。
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