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,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(yán)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(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采用導(dǎo)電膠,在器件密封后導(dǎo)電膠會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,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,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,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(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℃左右時揮發(fā)。所以在導(dǎo)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(jìn)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(shí)驗(yàn)證明,導(dǎo)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(jìn)口導(dǎo)電膠),同時當(dāng)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(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間從低到高進(jìn)行長時間固化,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。