1 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，半導(dǎo)體器件和組件在工程、商業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。它在雷達(dá)、遙控遙測(cè)、航空航天等的大量應(yīng)用對(duì)其可靠性提出了越來(lái)越高的要求。而因芯片焊接（粘貼）不良造成的失效也越來(lái)越引起了人們的重視，因?yàn)檫@種失效往往是致命的，不可逆的。芯片到封裝體的焊接（粘貼）技巧很多，可概括為金屬合金焊接法（或稱為低熔點(diǎn)焊接法）和樹(shù)脂粘貼兩大類。它們連接芯片的機(jī)理大不一樣，必須根據(jù)器件的種類和要求進(jìn)行合理選擇。要獲得理想的連接質(zhì)量，還需要有針對(duì)性地分析各種焊接（粘貼）技巧機(jī)理和特點(diǎn)，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(jìn)。本文對(duì)兩大類半導(dǎo)體器件焊接（粘貼）技巧的機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，對(duì)幾種常用技巧的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較，并討論了在半導(dǎo)體器件中應(yīng)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)技巧及機(jī)理
芯片的焊接是指半導(dǎo)體芯片與載體（封裝殼體或基片）形成牢固的、傳導(dǎo)性或絕緣性連接的技巧。焊接層除了為器件提供機(jī)械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道。其技巧可分為樹(shù)脂粘接法和金屬合金焊接法。
樹(shù)脂粘貼法是采用樹(shù)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(dǎo)體。粘合劑大多采用環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂是穩(wěn)定的線性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開(kāi)形成羥基并交鏈，從而由線性聚合物交鏈成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而固化成熱固性塑料。其過(guò)程由液體或粘稠液→凝膠化→固體。固化的條件主要由固化劑種類的選擇來(lái)決定。而其中摻雜的金屬含量決定了其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的好壞。
摻銀環(huán)氧粘貼法是當(dāng)前最流行的芯片粘貼技巧之一，它所需的固化溫度低，這能夠避免熱應(yīng)力，但有銀遷移的缺點(diǎn) [2]。近年來(lái)應(yīng)用于中小功率晶體管的金導(dǎo)電膠優(yōu)于銀導(dǎo)電膠 [3]。非導(dǎo)電性填料包括氧化鋁、氧化鈹和氧化鎂，能夠用來(lái)改善熱導(dǎo)率。樹(shù)脂粘貼法因其操作過(guò)程中載體不須加熱，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化操作且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而得到廣泛應(yīng)用，尤其在集成電路和小功率器件中應(yīng)用更為廣泛。樹(shù)脂粘貼的器件熱阻和電阻都很高。樹(shù)脂在高溫下簡(jiǎn)單分解，有可能發(fā)生填料的析出，在粘貼面上只留下一層樹(shù)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(shù)脂粘貼法粘貼面的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)不如共晶焊接強(qiáng)度大。
金屬合金焊接法主要指金硅、金鍺、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(diǎn)為1063℃，硅的熔點(diǎn)為1414℃，但金硅合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于單質(zhì)的金和硅。從二元系相圖中能夠看到，含有31%的硅原子和69%的金原子的 Au-Si共熔體共晶點(diǎn)溫度為370℃。這個(gè)共晶點(diǎn)是選擇合適的焊接溫度和對(duì)焊接深度進(jìn)行控制的主要根據(jù)。金硅共晶焊接法就是芯片在絕對(duì)的壓力下（附以摩擦或超聲），當(dāng)溫度高于共晶溫度時(shí)，金硅合金融化成液態(tài)的Au-Si共熔體；冷卻后，當(dāng)溫度低于共晶溫度時(shí)，共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y(jié)合的機(jī)械混合物—— 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(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高和含較少的雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用并備受高可靠器件封裝業(yè)的青睞，其焊接強(qiáng)度已達(dá)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），因?yàn)槠錂C(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較小，在半導(dǎo)體器件芯片焊接中不太常用。。
無(wú)論采用哪種焊接技巧，成功的標(biāo)志都是芯片與封裝體焊接面之間的界面牢固、平整和沒(méi)有空洞。因?yàn)锳u-Si共晶焊接在半導(dǎo)體器件和微電子電路中應(yīng)用最為廣泛，因而結(jié)合工作實(shí)際這里主要針對(duì)此種焊接技巧的失效原因和解決措施進(jìn)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(huì)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(dǎo)體器件的散熱有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種方式，其中熱傳導(dǎo)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(jié)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。總熱阻R=R1+R2 +R3+R4+R 5。芯片集電結(jié)產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)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(huì)引起電流密集效應(yīng)，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(lái)極大隱患。
3.2 熱應(yīng)力失效
這是一種由機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的失效。因?yàn)槠涫У淖罱K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(jié)為微焊接失效模式之一來(lái)加以討論。微電子器件的焊接界面是由性能各異的部分材料組成，如Si、SiO 2、BeO、Al2O3、WCu等。這些材料的線熱膨脹系數(shù)各不一樣，如常用作底座的WCu其膨脹系數(shù)比Si晶體幾乎大4倍。當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，不同的材料界面間會(huì)存在壓縮或拉伸應(yīng)力。微波功率器件在工作期間往往要經(jīng)受熱循環(huán)，因?yàn)樾酒头庋b體的熱膨脹系數(shù)不同，在熱循環(huán)過(guò)程中焊接面間產(chǎn)生周期性的剪切應(yīng)力，這些應(yīng)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(dǎo)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(jì)為
S=DΔαΔT/2d ?。ǎ保?/p>
式中，D為芯片對(duì)角線尺寸；d為焊層厚度；ΔT=Tmax－Tmin，Tmax為焊料凝固線溫度，Tmin為器件篩選中的最低溫度；Δα為芯片與基片材料的熱膨脹系數(shù)之差。
從上式能夠看到，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(gè)角度講，大功率器件采用小芯片多胞合成是非常必要的。
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(shù)同硅非常相近的陶瓷基片（如AlN），將大大降低熱應(yīng)力，可用于大芯片裝配。
4 焊接質(zhì)量的三種檢驗(yàn)技巧
4.1 剪切力測(cè)量
這是檢驗(yàn)芯片與基片間焊接質(zhì)量最常用和直觀的技巧。圖3是用來(lái)檢測(cè)芯片焊接的GJB548A -96的最小剪切力與芯片面積的關(guān)系。在焊接良好的情況下，即便芯片推碎了，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(shù)脂粘貼法粘貼的器件，若要在較高、較低溫度下長(zhǎng)期工作,應(yīng)測(cè)不同溫度下的剪切力強(qiáng)度。
4.2 電性能考試
對(duì)于芯片與基片或底座導(dǎo)電性連接（如共晶焊、導(dǎo)電膠粘貼）的雙極器件，其焊接（粘貼）質(zhì)量的好壞直接影響器件的熱阻和飽和壓降 Vces，所以對(duì)晶體管之類的器件能夠通過(guò)測(cè)量器件的Vces來(lái)無(wú)損地檢驗(yàn)芯片的焊接質(zhì)量。在保證芯片電性能良好的情況下，如果Vces過(guò)大，則可能是芯片虛焊或有較大的“空洞”。此種技巧可用于批量生產(chǎn)的在線考試。
4.3 超聲波檢測(cè)
超聲波檢測(cè)技巧的理論根據(jù)是不同介質(zhì)的界面具有不同的聲學(xué)性質(zhì)，反射超聲波的才能也不同。當(dāng)超聲波遇到缺陷時(shí)，會(huì)反射回來(lái)產(chǎn)生投射面積和缺陷相近的“陰影”。對(duì)于采用多層金屬陶瓷封裝的器件，往往需對(duì)封裝體進(jìn)行背面減薄后再進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，因?yàn)闊釕?yīng)力而造成的焊接失效，用一般的考試和檢測(cè)手段很難發(fā)現(xiàn)，必需要對(duì)器件施加高應(yīng)力，一般是經(jīng)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(jīng)背面減薄后的聲掃照片，黑色圈內(nèi)部分為焊接缺陷。利用超聲波能夠精確地檢測(cè)出焊接區(qū)域內(nèi)缺陷的位置和大小。
采用超聲波探傷儀進(jìn)行超聲波檢測(cè)是檢驗(yàn)芯片焊接質(zhì)量好壞的有效技巧。
5 焊接不良原因及對(duì)應(yīng)措施
5.1 芯片背面氧化
器件生產(chǎn)過(guò)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(huì)穿透金層而氧化生成SiO 2，這層SiO2會(huì)使焊接浸潤(rùn)不均勻，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度下降。即便在室溫下，硅原子也會(huì)通過(guò)晶粒間的互擴(kuò)散緩慢移動(dòng)到金層表面。因此，在焊接時(shí)保護(hù)氣體N2必須保證足夠的流量，最好加入部分H 2進(jìn)行還原。芯片的保存也應(yīng)引起足夠的重視，不僅要關(guān)注環(huán)境的溫濕度，還應(yīng)考慮到其將來(lái)的可焊性，對(duì)于長(zhǎng)期不用的芯片應(yīng)放置在氮?dú)夤裰斜４妗?/p>
5.2 焊接溫度過(guò)低
雖然Au-Si共晶點(diǎn)是370℃，但是熱量在傳遞過(guò)程中要有所損失，因而應(yīng)選擇略高部分，但也不可太高，以免造成管殼表面氧化。焊接溫度也要根據(jù)管殼的材料、大小、熱容量的不同進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整。為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)定期用表面溫度計(jì)測(cè)量加熱基座的表面溫度，必要時(shí)監(jiān)測(cè)焊接面的溫度。
5.3 焊接時(shí)壓力太小或不均勻
焊接時(shí)應(yīng)在芯片上施加絕對(duì)的壓力。壓力太小或不均勻會(huì)使芯片與基片之間產(chǎn)生空隙或虛焊。表2是某型號(hào)芯片在不同壓力下的剪切力強(qiáng)度比較。從表2中能夠看出，壓力減小后，芯片剪切力強(qiáng)度大幅度下降，而且實(shí)驗(yàn)中還可觀察到硅片殘留面積均小于50%。但也不能使壓力過(guò)大，以免碎片。因此焊接時(shí)壓力的調(diào)整是很重要的，要根據(jù)芯片的材料、厚度、大小的綜合情況進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)踐中有針對(duì)性地積累數(shù)據(jù)，才能得到理想的焊接效果。
5.4 基片清潔度差
基片被沾污、有部分油漬或氧化會(huì)嚴(yán)重影響焊接面的浸潤(rùn)性。這種沾污在焊接過(guò)程中是較簡(jiǎn)單觀察到的，這時(shí)必須對(duì)基片進(jìn)行再處理。
5.5 熱應(yīng)力過(guò)大
熱應(yīng)力引起的失效是個(gè)緩慢的漸變過(guò)程，它不易察覺(jué)，但危害極大。一般芯片厚度越大應(yīng)力對(duì)應(yīng)越小。因此芯片不應(yīng)過(guò)薄。另外如果基片或底座與芯片熱性能不匹配，也會(huì)造成很大的機(jī)械應(yīng)力。焊接前基片或底座可先在200℃預(yù)熱，用于拾取芯片的吸頭也可適當(dāng)加熱以減少熱沖擊。焊接后能夠在N2 保護(hù)氣氛下進(jìn)行緩慢冷卻，在此冷卻過(guò)程中也可消除部分應(yīng)力。
5.6 基片金層過(guò)薄
當(dāng)基片鍍金層較薄又不夠致密時(shí)，即便在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，達(dá)到Au-Si共晶溫度時(shí)，鍍層也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的變色現(xiàn)象，從而影響焊接強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于1mm×1mm的芯片，基片上鍍金層厚度大于2μm才能獲得可靠的共晶焊。一般來(lái)說(shuō)，芯片尺寸越大，鍍金層也要對(duì)應(yīng)增加。
結(jié)語(yǔ)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片的焊接（粘貼）技巧也越來(lái)越多并不斷完善。半導(dǎo)體器件焊接（粘貼）失效主要與焊接面潔凈度差、不平整、有氧化物、加熱不當(dāng)和基片鍍層質(zhì)量有關(guān)。樹(shù)脂粘貼法還受粘料的組成結(jié)構(gòu)及其有關(guān)的物理力學(xué)性能的制約和影響。要解決芯片微焊接不良問(wèn)題，必須明白不同技巧的機(jī)理，逐一分析各種失效模式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響焊接（粘貼）質(zhì)量的不利因素，同時(shí)嚴(yán)格生產(chǎn)過(guò)程中的檢驗(yàn)，加強(qiáng)工藝管理，才能有效地避免因芯片焊接不良對(duì)器件可靠性造成的潛在危害。
