半導體器件芯片焊接方法及控制

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，半導體器件和組件在工程、商業(yè)上得到了廣泛應用。它在雷達、遙控遙測、航空航天等的大量應用對其可靠性提出了越來越高的要求。而因芯片焊接（粘貼）不良造成的失效也越來越引起了人們的重視，因為這種失效往往是致命的，不可逆的。芯片到封裝體的焊接（粘貼）方法很多，可概括為金屬合金焊接法（或稱為低熔點焊接法）和樹脂粘貼兩大類［1］。它們連接芯片的機理大不相同，必須根據器件的種類和要求進行合理選擇。要獲得理想的連接質量，還需要有針對性地分析各種焊接（粘貼）方法機理和特點，分析影響其可靠性的諸多因素，并在工藝中不斷地加以改進。本文對兩大類半導體器件焊接（粘貼）方法的機理進行了簡單闡述，對幾種常用方法的特點和適用性進行了比較，并討論了在半導體器件中應用最為廣泛的金-硅合金焊接失效模式及其解決辦法。2、芯片焊接（粘貼）方法及機理芯片的焊接是指半導體芯片與載體（封裝殼體或基片）形成牢固的、傳導性或絕緣性連接的方法。焊接層除了為器件提供機械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道。其方法可分為樹脂粘接法和金屬合金焊接法。樹脂粘貼法是采用樹脂粘合劑在芯片和封裝體之間形成一層絕緣層或是在其中摻雜金屬（如金或銀）形成電和熱的良導體。粘合劑大多采用環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂是穩(wěn)定的線性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開形成羥基并交鏈，從而由線性聚合物交鏈成網狀結構而固化成熱固性塑料。其過程由液體或粘稠液一凝膠化一固體。固化的條件主要由固化劑種類的選擇來決定。而其中摻雜的金屬含量決定了其導電、導熱性能的好壞。摻銀環(huán)氧粘貼法是當前最流行的芯片粘貼方法之一，它所需的固化溫度低，這可以避免熱應力，但有銀遷移的缺點［2］。近年來應用于中小功率晶體管的金導電膠優(yōu)于銀導電膠［3］。非導電性填料包括氧化鋁、氧化鍍和氧化鎂，可以用來改善熱導率。樹脂粘貼法因其操作過程中載體不須加熱，設備簡單，易于實現(xiàn)工藝自動化操作且經濟實惠而得到廣泛應用，尤其在集成電路和小功率器件中應用更為廣泛。樹脂粘貼的器件熱阻和電阻都很高。樹脂在高溫下容易分解，有可能發(fā)生填料的析出，在粘貼面上只留下一層樹脂使該處電阻增大。因此它不適于要求在高溫下工作或需低粘貼電阻的器件。另外，樹脂粘貼法粘貼面的機械強度遠不如共晶焊接強度大。金屬合金焊接法主要指金硅、金錯、金錫等共晶焊接。這里主要以金硅共晶焊為例加以討論。金的熔點為1063C硅的熔點為1414C但金硅合金的熔點遠低于單質的金和硅。從二元系相圖中可以看到，含有31%的硅原子和69%的金原子的Au-Si共熔體共晶點溫度為370°C。這個共晶點是選擇合適的焊接溫度和對焊接深度進行控制的主要依據。金硅共晶焊接法就是芯片在一定的壓力下（附以摩擦或超聲），當溫度高于共晶溫度時，金硅合金融化成液態(tài)的Au-Si共熔體；冷卻后，當溫度低于共晶溫度時，共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y合的機械混合物一一金硅共熔晶體而全部凝固，從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。共晶焊接法具有機械強度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高和含較少的雜質等優(yōu)點，因而在微波功率器件和組件的芯片裝配中得到了廣泛的應用并備受高可靠器件封裝業(yè)的青睞，其焊接強度已達到245MPa［4］。金屬合金焊接還包括“軟焊料”焊接（如95Pb/5Sn，92.5Pb/5In/2.5Ag），由于其機械強度相對較小，在半導體器件芯片焊接中不太常用。以下是幾種焊接（粘貼）方法的比較，如表1所示。無論采用哪種焊接方法，成功的標志都是芯片與封裝體焊接面之間的界面牢固、平整和沒有空洞。由于Au-Si共晶焊接在半導體器件和微電子電路中應用最為廣泛，因而結合工作實際這里主要針對此種焊接方法的失效原因和解決措施進行討論。3、失效模式分析3.1歐姆接觸不良芯片與基片間良好的歐姆接觸是保證功率器件正常工作的前提。歐姆接觸不良會使器件熱阻加大，散熱不均勻，影響電流在器件中的分布，破壞器件的熱穩(wěn)定性，甚至使器件燒毀。半導體器件的散熱有輻射、對流和傳導三種方式，其中熱傳導是其散熱的主要方式。以硅微波功率晶體管為例，圖1是硅微波功率管裝配模型，圖2是其熱等效電路。其中Tj為管芯結溫，TC為管殼溫度；R1、R2、R3、R4、R5分別是芯片、Au-Si焊接層、BeO、界面焊料層和鎢銅底座的熱阻?？偀嶙鑂=R1+R2+R3+R4+R5。芯片集電結產生的熱量主要通過硅片、焊接層、BeO傳到WCu外殼。Au-Si焊接層的虛焊和空洞是造成歐姆接觸不良的主要原因，空洞會引起電流密集效應，在它附近有可能形成不可逆的，破壞性的熱電擊穿，即二次擊穿。焊接層的歐姆接觸不良給器件的可靠性帶來極大隱患。3.2熱應力失效這是一種由機械應力導致的失效。由于其失效的最終表現(xiàn)形式往往是焊接面裂紋或芯片剝裂，因而在這里把它歸結為微焊接失效模式之一來加以討論。微電子器件的焊接界面是由性能各異的一些材料組成，如Si、SiO2、BeO、A12O3、WCu等。這些材料的線熱膨脹系數各不相同，如常用作底座的WCu其膨脹系數比Si晶體幾乎大4倍。當它們結合在一起時，不同的材料界面間會存在壓縮或拉伸應力。微波功率器件在工作期間往往要經受熱循環(huán)，由于芯片和封裝體的熱膨脹系數不同，在熱循環(huán)過程中焊接面間產生周期性的剪切應力，這些應力將可能聚集在空洞的位置上使焊料形成裂紋甚至使硅片龜裂，最終導致器件因熱疲勞而失效。在芯片與管殼之間的焊層中，最大的熱剪切力形變可估計為:S=DAaAT/2d,公式中，D為芯片對角線尺寸；d為焊層厚度；AT=Tmax—Tmin，Tmax為焊料凝固線溫度，Tmin為器件篩選中的最低溫度；Aa為芯片與基片材料的熱膨脹系數之差。從上式可以看到，熱形變直接與芯片大小成正比，芯片尺寸越大，焊接后其在溫循中要承受的剪切力也就越大。從這個角度講，大功率器件采用小芯片多胞合成是十分必要的。在焊接中，必須充分考慮到芯片與基片的熱匹配情況，在硅器件中若使用熱膨脹系數同硅非常相近的陶瓷基片（如AlN），將大大降低熱應力，可用于大芯片裝配。4、焊接質量的三種檢驗方法4.1剪切力測量這是檢驗芯片與基片間焊接質量最常用和直觀的方法。圖3是用來檢測芯片焊接的GJB548A-96的最小剪切力與芯片面積的關系。在焊接良好的情況下，即使芯片推碎了，焊接處仍然留有很大的芯片殘留痕跡。一般焊接空洞處不粘附芯片襯底材料，芯片推掉后可直接觀察到空洞的大小和密度。圖4是某器件芯片推掉后觀察到的焊接空洞照片。用樹脂粘貼法粘貼的器件，若要在較高、較低溫度下長期工作，應測不同溫度下的剪切力強度。4.2電性能測試對于芯片與基片或底座導電性連接（如共晶焊、導電膠粘貼）的雙極器件，其焊接（粘貼）質量的好壞直接影響器件的熱阻和飽和壓降Vces，所以對晶體管之類的器件可以通過測量器件的Vces來無損地檢驗芯片的焊接質量。在保證芯片電性能良好的情況下，如果Vces過大，則可能是芯片虛焊或有較大的“空洞”。此種方法可用于批量生產的在線測試。4.3超聲波檢測超聲波檢測方法的理論依據是不同介質的界面具有不同的聲學性質，反射超聲波的能力也不同。當超聲波遇到缺陷時，會反射回來產生投射面積和缺陷相近的“陰影”。對于采用多層金屬陶瓷封裝的器件，往往需對封裝體進行背面減薄后再進行檢測。同時，由于熱應力而造成的焊接失效，用一般的測試和檢測手段很難發(fā)現(xiàn)，必須要對器件施加高應力，通常是經老化后缺陷被激活，即器件失效后才能被發(fā)現(xiàn)。圖5是某失效器件經背面減薄后的聲掃照片，黑色圈內部分為焊接缺陷。借助超聲波能夠精確地檢測出焊接區(qū)域內缺陷的位置和大小。5、焊接不良原因及相應措施5.1芯片背面氧化器件生產過程中，焊接前往往先在芯片背面蒸金。在Au-Si共晶溫度下，Si會穿透金層而氧化生成SiO2,這層SiO2會使焊接浸潤不均勻，導致焊接強度下降。即使在室溫下，硅原子也會通過晶粒間的互擴散緩慢移動到金層表面。因此，在焊接時保護氣體N2必須保證足夠的流量，最好加入部分日2進行還原。芯片的保存也應引起足夠的重視，不僅要關注環(huán)境的溫濕度，還應考慮到其將來的可焊性，對于長期不用的芯片應放置在氮氣柜中保存。5.2焊接溫度過低雖然Au-Si共晶點是370C但是熱量在傳遞過程中要有所損失，因而應選擇略高一些，但也不可太高，以免造成管殼表面氧化。焊接溫度也要根據管殼的材料、大小、熱容量的不同進行相應調整。為保證焊接質量，應定期用表面溫度計測量加熱基座的表面溫度，必要時監(jiān)測焊接面的溫度。5.3焊接時壓力太小或不均勻焊接時應在芯片上施加一定的壓力。壓力太小或不均勻會使芯片與基片之間產生空隙或虛焊。表2是某型號芯片在不同壓力下的剪切力強度比較。從表2中可以看出，壓力減小后，芯片剪切力強度大幅度下降，而且實驗中還可觀察到硅片殘留面積均小于50%。但也不能使壓力過大，以免碎片。因此焊接時壓力的調整是很重要的，要根據芯片的材料、厚度、大小的綜合情況進行調整，在實踐中有針對性地積累數據，才能得到理想的焊接效果。5.4基片清潔度差基片被沾污、有局部油漬或氧化會嚴重影響焊接面的浸潤性。這種沾污在焊接過程中是較容易觀察到的，這時必須對基片進行再處理。5.5熱應力過大熱應力引起的失效是個緩慢的漸變過程，它不易察覺，但危害極大。通常芯片厚度越大應力相應越小。因此芯片不應過薄。另外如果基片或底座與芯片熱性能不匹配，也會造成很大的機械應力。焊接前基片或底座可先在200°C預熱，用于拾取芯片的吸頭也可適當加熱以減少熱沖擊。焊接后可以在N2保護氣氛下進行緩慢冷卻，在此冷卻過程中也可消除部分應力。5.6基片金層過薄當基片鍍金層較薄又不夠致密時，即使在氮氣保護下，達到Au-Si共晶溫度時，鍍層也會發(fā)生嚴重的變色現(xiàn)象，從而影響焊接強度。實驗證明，對于Immxlmm的芯片，基片上鍍金層厚度大于2Mm才能獲得可靠的共晶焊。一般來說，芯片尺寸越大，鍍金層也要相應增加。6、結語