薄膜基板芯片共晶焊技术研究

转自高可靠电子装联技术 巫建华

摘要：共晶焊是微电子组装技术中的一种重要焊接工艺，在混合集成电路中得到了越来越多的应用。文章简要介绍了共晶焊接的原理，分析了影响薄膜基板与芯片共晶焊的各种因素，并且选用Ti/Ni/Au膜系和AuSn焊料，利用工装夹具在真空环境下通入氮、氢保护气体的方法进行薄膜基板芯片共晶焊技术的研究。试验证明：焊接基板金属化Au层厚度1.5μm，焊接压力为2kPa，焊接温度330℃，时间30s可有效地使空洞面积控制在10%以下。并在150℃高温贮存以及-65℃~150℃温度循环后对共晶焊接样品的剪切强度和接触电阻进行了试验。在可靠性试验后，样品的剪切强度满足GJB548B-2005的要求，接触电阻变化率小于5%。

关键词：共晶焊；空洞；剪切强度；接触电阻

1 引言

随着混合集成电路向着高性能、高密度、高可靠性以及小型化、低成本的方向发展，对芯片的安装焊接工艺提出了更高的要求，将芯片与基板或管壳互联时，主要有导电胶粘接和共晶焊接两种方法，在高频电路大功率芯片的安装中，由于导电胶的电阻率大、导热系数小，会造成器件损耗大，管芯热阻大，结温高，影响功率输出和可靠性。而共晶焊接具有连接电阻小、传热效率高、散热均匀、焊接强度高、工艺一致性好等优点，所以特别适用于高频、大功率器件和有较高散热要求的功率器件的焊接。

近年来，共晶焊技术在混合集成电路中得到了广泛的应用，本文针对高可靠薄膜基板芯片共晶焊工艺应用的需求，研究了真空气氛、焊接金属化膜层、焊接压力以及温度、时间对芯片共晶焊可靠性的影响，并在试验的基础上优化了各工艺参数，以满足高可靠薄膜基板芯片共晶焊工艺的应用需求。

2 试验

2.1 试验基板的制备

基板采用Al2O3陶瓷基板，共晶焊区采用磁控溅射或蒸发制备复合薄膜，通过电镀、光刻、热处理后获得，图1为薄膜基板制作工艺流程图，芯片采用Ti/Ni/Au，其中Au的厚度为0.2μm，共晶焊设备采用进口的Westbood真空共晶焊炉。

2.2 焊料及厚度选择

共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三种成分，表1为三种常用焊料的参数对比。

三种焊料的熔点各不相同，选取时要综合考虑焊接膜层及厚度、基板和芯片所能耐受的最高温度等因素，通过表1对比，其中AuSn焊料的熔点最低，导热性、电阻率都良好，并且焊料中Au占了很大的比重，材料表面的氧化程度较低，所以焊接中无需助焊剂，避免了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀。所以本研究采用预成型Au80Sn20焊片进行烧结，共晶温度280℃，焊片的尺寸与芯片大小相同，厚度40µm。

3 共晶焊接原理

共晶焊接又称低熔点焊接，它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变成液态，而不经过塑性阶段。共晶焊料是由两种或两种以上金属组成的合金，其熔点远远低于合金中任一种金属的熔点。共晶焊料的熔化温度称为共晶温度，共晶焊料中合金成分比例不同，共晶温度也不同，共晶焊接需要在一定的保护气氛中加热到共晶温度使焊料熔融，同时芯片和基板表面的金会有少量进入熔融的焊料，冷却后会形成合金焊料与金层之间原子间的结合，从而完成芯片与基板之间的焊接。

4 关键技术与讨论

4.1 夹具的设计

真空共晶焊焊接过程需要借助夹具，夹具的作用主要是提供一定的压力和完成芯片的定位功能，一套完整的共晶焊夹具一般由上、中、下3种模块组成。

夹具的设计要综合考虑每炉共晶焊接数量、夹具的热传导性、热均匀性、热变形等特性，同时还要考虑夹具的易加工性、操作性和耐用性等因素。由于铝合金具有优良的导热性能、热均匀性且热变形小，最终选定铝合金作为夹具材料。

夹具的下模块以阵列的方式开槽，起到固定管壳的作用，同时使热量迅速传给管壳；焊料片和芯片依次放在指定的位置，夹具中模块开有孔，用于焊料片和芯片的定位，保证芯片焊接过程中位置的准确性；夹具上模块开有圆孔，圆孔上导入压块，压块可以对芯片施加一定压力，使芯片、焊片、基板紧密结合，促使焊料四周扩散，提高共晶面的均匀性并减少空洞。

4.2 薄膜金属化结构及厚度

薄膜金属化结构一般分三层，由内到外依次为粘附层、阻挡层、易焊层。粘附层是与基板直接接触的金属层，要求膨胀系数与Al2O3接近；易焊层是与焊料接触的金属层，要求性能稳定、不易氧化、导热导电好、浸润焊料好；阻挡层为粘附层和易焊层之间的金属层，要求与粘附层和易焊层粘接牢固、热稳定性好、并且具有相近的热膨胀系数。经过对比，我们确定选用Ti/Ni/Au膜系，Ti金属作为复合薄膜与基板的粘附层，可以有效提高复合薄膜的附着力；Ni金属的热膨胀系数在Ti金属与Au之间，这样Ni金属作为中间层不仅可以阻挡某些金属的过度扩散，而且也可以减小复合膜的内应力，增强复合膜系的稳定性，Au金属具有良好的稳定性，并且其导电、导热性能好，但是基板镀Au层厚度以及焊料合金成分的变化都会对焊接质量产生一定影响，从图3的AuSn相图中看出，在共晶体的富金一侧有非常陡的液相曲线陡度，在高于共晶组成处，含金量仅增加3%～5%就可使液相温度从280℃提高到450℃以上，可见焊接时过量的金熔解就会使焊料的熔融温度上升，从而造成浸润的困难，所以基板Au层在保证足够浸润与防护性的前提下，厚度应尽可能小。基板膜层制作采用先溅射后电镀的方式，试验证明溅射Ti/Ni/Au总厚度为0.5μ m，电镀后上层Au厚度1.5μ m对焊接质量最有利。

4.3 真空度和气氛对共晶焊的影响

真空度和保护气氛是影响共晶焊接质量的一个重要因素。在共晶焊接过程中如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊芯片焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加焊接芯片的热阻。但如果真空度太高，在加热过程中热导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点温度还没有熔化的现象，图4为不同真空试验条件下焊接空洞的对比情况。

从图4中看出，随着真空度的升高共晶焊的空洞面积呈递减趋势，真空度为1Pa时其空洞面积接近最小，以后随着真空度的升高空洞面积呈平稳趋势，通过试验确定共晶焊的真空度为1Pa或者更高。

焊接气氛就是指在焊接时采用何种气体对焊接表面进行保护，不致因表面氧化而影响其焊接，同时焊接时为防止芯片受污染，不允许使用助焊剂，因此为使低熔点合金焊料保持其表面洁净而不受氧化，焊接气氛显得尤为重要。一般氮气或氮气和氢气的混合气体作为保护气体，氮气能防止焊料氧化，降低焊料表面张力，保证焊料与金属表面充分润湿，氢气作为还原气体，起到还原金属氧化物的作用。通过对共晶焊接环境的控制，能很好解决焊接空洞的生成，在芯片共晶焊时，共晶界面存在空洞是引起器件失效的主要原因。这是因为，共晶界面存在空洞会使接触电阻变大，器件工作时使界面温度升高，从而引起器件失效。在GJB548中明确规定：共晶焊空洞率不能超过焊接总面积的50%。

图5是真空度1Pa条件下采用氢-氮混合气体保护的X射线照相，从图中看出其空洞面积低于焊接面积的10%，空洞面积的控制完全满足国军标的要求。

4.4 压力对共晶焊的影响

芯片采用预置焊片的方式与基板进行真空共晶焊接，如图6所示。

其中焊料在平行间隙的毛细填缝长度L可表达为：L=2σcosθ/hρg

式中θ为浸润角，h为芯片与基板间的间隙，ρ为焊料的密度，σ为液态焊料的表面张力，g为重力加速度。

可见在芯片上施加力F，可以有效减小芯片和基板间的间隙，增加填缝长度L。焊接时压力的调整很重要，要根据芯片的材料、厚度、大小综合情况进行调整，压力太小或不均匀会使芯片和基板之间产生空隙或虚焊；压力过大有可能导致芯片被压碎，并且可能导致出现焊接金属层太薄的情况。压力的大小通过压块的自重来实现。表2给出了不同压力条件下基板四周焊料溢出情况以及焊接空洞的情况。

通过试验，我们确定施加的压力一般为2kPa左右可以得到理想的焊接状况。

4.5 工艺曲线设置

真空共晶焊过程主要包括前处理、预热、焊接和冷却四部分。前处理阶段包括抽真空→充氮氢混合气体→抽真空，目的是排除加热室内残留气体，防止焊料在高温时氧化，影响焊接质量；预热阶段包括升温-预热温度，主要起到一个缓冲作用，使器件表面的温度均匀；焊接阶段包括升温-焊接温度，焊接是整个真空共晶焊接的主要过程，温度达到焊接温度后焊料熔化，此时焊料与芯片和电路的金属层Au充分浸润；冷却阶段主要包括降温过程，冷却速率可以控制焊点的微结晶结构；在焊接完成后，温度降到熔点以下，焊料由液相转变为固态，形成高强度、导电导热良好的焊接面，同时考虑到焊点迅速冷却、焊料晶格细化，结合强度提高，焊点光亮，所以一般通过快速吹氮气的方法提高降温速率。优化的共晶焊接工艺曲线如图7所示。

在各工艺参数中，最关键的就是共晶温度以及时间的选取，在设置温度曲线时，在保证焊接效果的前提下，焊接温度和保持时间尽可能低，对于芯片共晶焊工艺，一般用剪切强度的大小和空洞的控制能力来评价试验结果，图8为焊接峰值温度保持30s的情况下，芯片剪切强度与焊接温度的关系曲线。

从图8中看出，焊接的温度在330℃左右其剪切强度达到最大，随着温度的进一步升高，芯片的剪切强度反而下降，这主要因为焊接金属膜层被浸蚀的原因，经过试验优化我们确定最终的焊接温度为330℃，时间是30s。除此之外，在共晶焊时，真空度、压力、升温速率、冷却速率等都直接影响到最终焊接质量，因此在温度曲线设置时，要结合实从图8中看出，焊接的温度在330℃左右其剪切强度达到最大，随着温度的进一步升高，芯片的剪切强度反而下降，这主要因为焊接金属膜层被浸蚀的原因，经过试验优化我们确定最终的焊接温度为330℃，时间是30s。除此之外，在共晶焊时，真空度、压力、升温速率、冷却速率等都直接影响到最终焊接质量，因此在温度曲线设置时，要结合实际情况综合考虑。

5 共晶焊可靠性评价

5.1 共晶焊接触电阻

共晶焊的接触电阻与空洞面积成正比关系，由于研究中很好地控制住焊接空洞，按照优化的工艺参数焊接的样品空洞率一般低于10%，所以接触电阻也比较小，但接触电阻随环境的改变会相应变化，特别是高温高湿环境下，互连金属的氧化、电化学腐蚀以及聚合物吸潮都会导致接触电阻增加，研究表明，热循环、热冲击、高温高湿等环境以及外来冲击载荷均会影响共晶焊的可靠性。为了验证共晶焊的可靠性，我们分别对试验样品进行了150℃高温贮存以及-65℃~150℃温度循环试验，图9、图10分别为随老化时间以及温循次数的增加共晶焊接触电阻的变化规律。

从图中看出，共晶焊的接触电阻控制在5%以内，完全满足共晶焊实用化要求。

5.2 共晶焊接强度

共晶焊接强度一般通过剪切强度的大小来体现，但剪切强度随老化时间以及温循次数的增加而下降，这是因为当外界温度发生变化时，由于器件的热膨胀系数不匹配导致热应力，在热冲击载荷作用下会在焊接合金层与芯片界面或合金与基板界面上形成裂纹，从而导致剪切强度的降低。图11、图12 分别为随老化时间以及温循次数的增加芯片剪切强度的变化规律。

从图中看出，在高温贮存和温度循环后，芯片的剪切强度完全满足GJB548B方法2019的要求，并且其变化率控制在10%以内。

6 结论

通过在薄膜基板上进行芯片共晶焊技术的研究，主要解决了以下几个关键技术问题：

（1）真空环境下运用O2、H2混合气体进行AuSn共晶焊接，有效避免氧化物产生，提高了焊接的浸润性，并使焊接空洞面积控制在10%以下。

（2）制订合适的共晶焊接曲线，焊接温度为330℃，焊接时间30s，基板金属化Au层厚度1.5μm，焊接压力控制在2kPa可以有效保证焊接质量。

通过可靠性试验对芯片共晶焊的电性能和机械性能进行考核，在试验后样品的剪切强度满足GJB548B-2005的要求，接触电阻变化率小于5%，完全满足实用化的要求。

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