真空烧结技术研究

刘洪涛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

真空烧结技术研究

刘洪涛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

随着电子装备和系统对可靠性及使用期的要求不断提高，对于集成电路的质量和可靠性以及贮存寿命期提出了更高要求，因而对芯片的焊接工艺也提出了越来越高的要求。通过对清洗工艺和真空烧结工艺的深入研究，优化清洗工艺，改善焊料与金属化层的浸润性，优化芯片烧结工艺参数，包括选择合适的升温速率、烧结温度和焊料熔化时间及冷却方式等措施，改善了焊料的润湿性能，减小了空洞面积，提高了芯片焊接强度。

真空烧结；润湿；空洞；剪切强度

1 引 言

将半导体芯片装配到载体上（如管壳等），实现的方法主要有导电胶粘接和共晶烧结两种。其中导电胶粘接芯片具有工艺简单、成本低廉等特点，但电路长期贮存后其腔体内水汽含量会逐渐增多，可靠性降低，对武器装备可能带来故障隐患，因而，正逐渐被共晶烧结所取代。

高可靠的集成电路芯片粘接普遍采用合金共晶烧结粘片方式，共晶烧结一般采用金属合金焊料片在熔融温度下，直接将两种金属的界面加热到等于或高于它们的共熔温度而进行的共熔焊。共晶烧结的热性能、电性能及机械性能都大大优于导电胶粘接［1］。以下主要研究了真空烧结技术，分析了影响焊接质量的几个方面，并制订了相应的优化措施。

2 真空烧结原理

真空烧结是指在一定的真空度下，利用熔点比被焊接材料的熔点低的合金做钎料，通过加热使钎料熔化，靠毛细作用将液态焊料填充到焊接接触面的间隙中，通过液态焊料与被焊金属之间相互扩散溶解形成金属间化合物，最后经过冷却形成高可靠的焊接［2］。为了使芯片和封装载体之间粘接强度高，空洞少，接触电阻和接触热阻小，热匹配好，使器件具有高的抗热疲劳性能和较高的可靠性，通常需要在芯片背面制作多层金属化层，使得真空烧结后芯片、多层金属化层、焊料、载体应力相匹配，粘附牢固。

3 真空烧结工艺研究参数的确定

烧结后焊料的状态，以及焊料与管芯之间、焊料与载体之间的界面状态在很大程度上影响到焊接质量。在焊接中，空洞的出现是不可避免的，是普遍存在的，控制不好可影响芯片的粘接强度。粘接处空洞面积的大小直接决定着焊接质量的强度、导电性和散热性，进而直接影响军用电子元器件的长期可靠性。因此，在烧结时对芯片粘接工艺进行了优化和评估，通过优化清洗工艺和烧结工艺，形成了芯片粘接工艺质量控制技术，改善焊料的润湿性能，减小芯片粘接处空洞面积，有效提高真空烧结工艺质量，消除缺陷，获得高使用可靠性的产品，避免因芯片烧结质量问题等因素可能出现的可靠性隐患，确保军品电路的可靠性。

4 真空烧结工艺研究

4.1 清洗工艺研究

真空烧结选用焊料为厚度50μm的Pb-In-Ag焊片，其中含92.5%Pb、5%In、2.5%Ag，所用载体为镀Au的陶瓷管壳。在烧结时，应保证焊料及管壳清洁，去除有机粘污及氧化层等［3］。烧结前，采用乙醇、丙酮等有机溶剂对材料进行湿法清洗后，用去离子水冲洗，再用乙醇脱水，并在烘箱内烘干。湿法清洗能够有效去除材料表面的有机沾污及灰尘，但无法清除表面氧化层。因而，引入了等离子清洗技术，该技术主要是依靠等离子体中活性粒子的＂活化作用＂达到去除物体表面污渍的目的。

选用合适的惰性气体作为反应气体，可以有效去除残留的有机玷污及表面的氧化物。调整清洗模式、清洗功率和清洗时间来进行试验研究，通过对等离子清洗后的表面状态的检测及真空烧结后的焊料浸润情况、粘接效果、剪切强度等进行对比，得到最佳清洗工艺。研究试验表明，对管壳采用氧气进行等离子清洗，对芯片及合金片采用氩气进行等离子清洗，可以改善合金片、芯片背金面及管壳镀金层真空烧结时的浸润性，提高粘片区域的有效粘接面积，提高粘接质量。

4.2 烧结工艺研究

烧结工艺的好坏直接决定着粘接空洞面积的大小，从而决定着产品的长期可靠性。在对所用原材料进行清洗后，我们通过优化烧结工艺，改善焊料的浸润性，减小空洞面积。真空烧结工艺曲线如图1所示，烧结过程主要分为三个部分，具体如下：

（1）A、B段为长时间去气，以较小升温速率从室温开始加热，在焊料熔点以下40℃左右停留一段时间进行预热。充分的预热可以使热容较大的底座和管芯处于等温状态，可以防止局部冷焊或过热焊点。

（2）调整烧结温度和焊料熔化时间，C段为短时间焊料高温熔化。预热后快速升温达到焊料液相线以上60℃左右，短时间停留。峰值温度及停留时间不仅影响到润湿效果，而且对焊料和被焊材料之间钎焊接面发生冶金反应的程度也有很大影响。如果温度过高或者停留时间过长，金属间化合物的成长就会增大，金属间化合物的晶粒过大或数量过多对焊接质量是有害的。所以制定适当的峰值温度及停留时间是很重要的。

（3）真空烧结芯片的主要指标为强度和韧性，晶粒细化是同时提高材料强度和韧性的唯一方法，其基本途径是保证焊料及被焊材料同时快速冷却，提高晶核成长速度。D段为从峰值温度快速冷却到260℃左右，细化晶粒，提高粘接强度。E段为缓慢冷却，降低焊接面的残余应力，进一步提高可靠性。残余应力的存在会降低焊接区金属的塑性和抗疲劳强度，适当延长烧结电路在炉内的冷却时间，将焊接产生的弹性应变变成塑性应变，使应力得到释放。

图1 真空烧结工艺曲线

5 结果与讨论

5.1 焊料润湿性

焊料的润湿性是金属合金粘接工艺质量好坏的一个很重要因素，焊料润湿性好，流散性能好，铺展性好，焊接质量就能得到保证［4］。焊接温度较低，在焊料熔化温度停留时间较短，焊料铺展面积就很小，甚至在芯片四周的大部分区域看不到焊料流淌出来，这种情况为不良粘接，如图2所示。相反，焊接温度越高，在焊料熔化温度停留时间越长，焊料铺展面积就越大，但过高的温度和过长的停留时间都会使焊料流失严重，造成粘接强度下降。所以，制定合适的焊接温度和停留时间是决定焊料铺展的关键。

通过优化烧结工艺来提高合金焊料的润湿性，使焊料润湿性得到了明显改善，芯片粘接效果较好，焊料流淌较均匀，焊料超出芯片棱边的流淌区域宽度为1mm-2mm，如图3所示。

通过X射线检测和显微镜观察烧结界面形貌，发现优化工艺后烧结界面空洞减少了10%-20%，芯片与管壳的粘接面空洞面积明显较小，如图4所示。

5.2 芯片剪切强度测试

5.2.1 试验方法

使用Dage Series 4000型剪切强度/键合强度测试仪进行剪切强度测量，测量方法及检验标准按照GJB548B-2005方法2019的要求执行。为检验真空烧结技术研究的技术指标，将剪切强度试验量程设定为100KG，确保试验能将芯片剪切掉并得到实际数值。

5.2.2 测试数据分析

分别在原烧结工艺和优化工艺基础上，选用相同的管壳和芯片分别粘接了10个样管，对得到的烧结半成品进行高温储存、热冲击、温度循环、机械冲击、振动、恒定加速度等环境和应力试验，最后进行剪切强度试验，得到一系列数据，如表1所示。从表中可以看出，工艺优化后，其剪切强度明显提高，平均提高了10kg左右。

图2 焊料铺展宏观形貌

图3 焊料铺展宏观形貌

图4 X光照相形貌

表1 工艺优化前和工艺优化后剪切强度数据

6 结束语

真空烧结是一种对工艺参数和操作要求都很严格的焊接工艺，过程中的不严谨就会产生质量问题。因此必须采用科学的态度去分析并制定切实有效的清洗工艺和烧结工艺，不断提高设计水平和工艺水平，为整机系统提供高可靠、放心的优质产品。

［1］ Richard K.Ulrich，William D.Brown，著.高级电子封装［M］.李虹，张辉，郭志川，等译.北京：机械工业出版社，2010.

Richard K.Ulrich，William D.Brown，write.Advanced Electronic Packaging［M］.Li Hong，Zhang-hui，Guo Zhi-chuan，et al translate.Beijing：China Machine Press，2010.

［2］ 杜长华，陈方，黄福祥，等.电子微连接技术与材料［M］.北京：机械工业出版社，2008.

Du Chang-hua，Chen Fang，Huang Fu-xiang，et al.Electronic Micro Bonding Technology and Materials［M］.Bei jing：China Machine Press，2008.

［3］ 曹白杨，张欣，梁万雷，等.表面组装技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2012.

Cao Bai-yang，Zhang Xin，LiangWan-lei，et al.Surface mount technology base［M］.Beijing：Publishing Hose of Electronics Industry，2012.

［4］ 邵光杰，王锐，董红星，等.物理化学［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.

Shao Guang-jie，Wang Rui，Dong Hong-xing，et al.Physical and Chemical［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2002.

Study on Technology of Vacuum Sintering

Liu Hongtao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the increasing requirements for reliability and service life of electronics egipmentand systems，aswell as the requirements for storage life of integrated circuits，are put forward in this paper.So more and more requests for thewelding of chip craftaremade.As the cleaning craft and vacuum sintering technology are deeply researched and the wettability of solder，the void area and the welding strength of chip are improved by the optimization of cleaning process，improving the solder infiltration with themetal layers，the optimization of the process parameters such as heating rate，sintering temperature，solder melting time and coolingmethod.

Vacuum sintering；Wetting；Void；Shear strength

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.004

TN4

A

1002-2279（2015）03-0009-03

刘洪涛（1975-），男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主研方向：微电子。

2014-10-27