陶瓷封装腔体内气体含量分析与控制

冯 达，李秀林，丁荣峥，王 洋，明雪飞

（1.深圳国微电子有限公司，深圳 518057；2.无锡中微高科电子有限公司，江苏 无锡 214035）

陶瓷封装腔体内气体含量分析与控制

冯 达1，李秀林2，丁荣峥2，王 洋2，明雪飞2

（1.深圳国微电子有限公司，深圳 518057；2.无锡中微高科电子有限公司，江苏 无锡 214035）

气密性封装技术应用广泛，内部水汽的含量能很好地控制在5 000×10-6以下。但在气密性封装器件的失效分析中发现，失效器件的某些失效与其内部除水汽之外的其他气氛含量异常有关，如锡基焊料焊接芯片长期贮存后抗剪/抗拉强度下降，与内部氧气含量高有关；银玻璃烧结的，长期贮存后抗剪/抗拉强度下降，与内部二氧化碳含量异常相关；内部氦含量高，则往往与返工处置不恰当相关，上述现象表明气密性封装中仅控制水汽含量是不够的。文章分析了腔体内氧气、二氧化碳、氦气的来源，气体含量异常与封装工艺的关系。同时在分析试验的基础上提出了针对性的工艺措施，试验结果表明这些改进措施能够很好地解决封装腔体内氧气、二氧化碳、氦气含量，并取得了期望的结果。

气密封装；内部气氛；氧气含量；二氧化碳含量；氦气含量；水汽含量

1 引言

对于气密性陶瓷封装密封腔体内部气氛的分析，国内研究比较多的是水汽含量[1～5]，文献表明气密性陶瓷封装内部气氛中水汽的含量已很好地控制在5 000×10-6以下，通常可以维持在1 000×10-6左右。但是我们在各类气密性封装电子元器件的失效分析中发现，失效器件的某些失效与其内部除水汽之外的其他气氛含量异常有关。如锡基焊料焊接芯片长期贮存后抗剪/抗拉强度下降，分析后发现其内部氧气含量高；银玻璃烧结的电路，长期贮存后抗剪/抗拉强度下降的，其内部二氧化碳含量偏高；部分气密性封装模块电路偶尔有水汽含量超标，但同时氦气含量偏高等。这些充分表明，在进行气密性工艺评价或者内部气氛分析时，应不仅仅只分析水汽含量，其他气体的含量也应予以关注。

本文结合上述现象，对不同粘接材料以及导电胶长期贮存后的内部气氛进行比较分析，在试验的基础上分析氧气、二氧化碳、氦气含量高的产生原因并通过工艺改进等措施解决氧气、二氧化碳、氦气含量的控制问题。

2 芯片粘接材料密封腔体内部气氛情况

芯片粘接材料主要有氰酸酯导电胶（环氧类和氰酸酯类为主）、银玻璃、合金焊料。由于对环氧导电胶粘接气密封装器件的内部气氛分析较多[1～7]，这里不再叙述，下面重点就氰酸酯粘接、银玻璃、合金焊料烧结芯片，Au80Sn20合金封帽器件的内部气氛做比较分析。

2.1 导电胶粘片的内部气氛分析

内部气氛分析样品封装形式为11×11阵列CPGA84封装，芯片面积为7.6mm×7.6mm，采用氰酸酯导电胶粘接，金丝键合，Au80Sn20合金封帽。内部气氛测试数据见表1。

从表1中可以看出，水汽和氧气含量非常低，水汽含量低于100×10-6、氧气含量低于250×10-6、氢气含量超过1 000×10-6、二氧化碳含量最低的也在1.28%（12 800×10-6），远高于气密性陶瓷封装的内部气氛控制。

2.2 银玻璃烧结的内部气氛分析

对采用银玻璃烧结芯片、低温玻璃熔封的电路做内部气氛分析，检测数据见表2。

表1 氰酸酯导电胶粘片、Au80Sn20合金封帽电路的内部气氛检测数据

表2 银玻璃烧结芯片、低温玻璃熔封电路的内部气氛检测数据

从表2中可以看出，水汽含量、氢气含量均能达到≤1 000×10-6的指标，氧气含量小于3 000×10-6，二氧化碳含量大于5 000×10-6，比氰酸酯导电胶粘片的电路要低，但数值还是较高。

2.3 合金焊料烧结的内部气氛分析

对采用Au80Sn20合金焊料烧结芯片、Au80Sn20合金封帽的电路进行内部气氛分析，检测数据见表3。

表3 Au80Sn20合金焊料烧结芯片、Au80Sn20合金封帽电路内部气氛检测数据

从表3中可以看出，水汽、氧气、二氧化碳含量等均能达到≤1 000×10-6的指标，但氢气含量仍较高，在3 000×10-6左右。

对采用Au-Sb合金焊料烧结芯片、Au80Sn20合金封帽的电路进行内部气氛分析，检测数据见表4。

表4 Au-Sb合金烧接芯片、Au80Sn20合金封帽电路内部气氛检测数据

从表4中可以看出，水汽含量、氧气含量、二氧化碳含量等均能达到≤1 000×10-6要求，但氢气含量在3 000×10-6以上，含量仍较高。

3 气密性封装长期贮存后内部气氛变化

氰酸酯导电胶含有机物，其稳定性相对弱，而银玻璃、金基焊料（Au-Sn、Au-Si、Au-Ge、Au-Sb等）的稳定性较高，故仅对导电胶粘片做长期贮存后内部气氛分析。

分别对1年、6年、11年前封装的采用氰酸酯导电胶粘片、Au80Sn20合金封帽电路抽样进行内部气氛检测，其检测数据见表5。

表5 氰酸酯导电胶粘片、Au80Sn20合金封帽电路1、6、11年贮存期内部气氛检测数据

从表5中可以看出，抽测电路的水汽含量均合格，水汽的含量均远低于标准要求的5 000×10-6，贮存对含量影响不大；二氧化碳的含量变化不大，但会随着氢气释放而消耗氧气，若有异氰酸盐反应生成二氧化碳而使其含量增高。

4 内部气氛来源分析

4.1 氧气

主要有以下几个来源：

（1）焊料中析出（如锡基焊料中的氧、Au80Sn20焊料表面富锡中吸附的氧等）；

（2）密封气氛中的氧，封帽时装架气氛中含有或密封环境中含有的氧与内部气氛在密封前的渗透；

（3）镀镍—金表面中吸附氧的解析。

4.2 二氧化碳

主要有以下几个来源：

（1）银玻璃等烧结材料中未充分释放的包裹性气体；

（2）合金焊料烧结时，石墨夹具、外壳等粘有的有机物在高温下氧化反应生成；

（3）JM7000导电胶反应生成；

（4）环境气氛中引入。银玻璃中含有的有机物在烧结过程中被氧化生成二氧化碳和水，若烧结不充分或排气不充分而吸附，均会引起内部二氧化碳含量偏高；石墨夹具等在有氧气氛中也会氧化生成；JM7000类氰酸酯导电胶是热激活固化过程，在固化中总有少量的氰酸酯没有固化，未固化的异氰酸盐基团将与水发生反应生成氨基甲酸酯，氨基甲酸酯发生热分解则生成胺和二氧化碳气体：

4.3 氦气

环境中引入的氦通常只在几百×10-6，如有异常，基本可以肯定是器件密封后进行100%氦质谱细检漏时对器件采用氦气加压，发现器件存在细漏后直接将器件烘烤并采取平行缝焊返工，由于烘烤很难将压入的氦气排出所导致。

5 内部气氛的优化控制

（1）更换材料。将锡基焊料、Au80Sn20焊料更换成Au-Si、Au-Sb、Au-Ge焊料，通过优化烧结温度来降低氧气等对内部气氛的影响，但要注意烧结温度的提高将使烧结残余应力增大，残余应力过大容易引起器件应力失效。表6是Au80Sn20焊料烧结（～320℃）和Au-Sb焊料烧结（～420℃）的对比测试数据，显然采用Au-Sb焊料烧结的电路水汽含量和氧气含量要比采用Au80Sn20焊料烧结的低。

（2）优化烧结工艺。通过优化烧结工艺可以进一步提高和稳定内部气氛，如延长真空烧结的预烘时间、提高真空度、适当调整烧结时间等有利于降低氢气等，但需要协调生产效率，同时需要注意真空并不是100%，过分延长时间有时会导致氧含量增加，延长烧结时间后的检测对比数据见表7。

表6 Au80Sn20、Au-Sb焊料烧结内部气氛测试对比

表7 Au80Sn20合金烧结时间不同、内部气氛测试对比

（3）对于所有平行缝焊电路，在用氦加压后进行细漏，发现有微漏的电路，均采取100%重新开帽，并烘烤再封口，禁止将细漏电路直接通过补焊来解决漏气问题。图1和图2是开帽机和返工流程图。

图1 平行缝焊返工开帽机

6 优化工艺后的内部气氛测试结果

针对以上问题分别更改工艺条件进行试验：对外壳、盖板进行预烘除气，采用合金焊料烧结，分段对装架电路进行烘烤除气，封装过程中严格控制氧化等气氛，增加密封环境的氧气含量控制等，使内部气氛得到有效控制。对改进封装工艺后的电路进行内部气氛测试，测试结果见表8。

表8 工艺优化改进后电路的内部气氛检测数据

从优化工艺后的内部气氛测试结果来看，氧气、二氧化碳、氦气等含量能控制在3 000×10-6以内。

图2 平行缝焊开帽返工流程

7 结束语

从对电路互连可靠性影响来讲，控制密封腔体内的水汽含量足以防止焊点的腐蚀等；但针对封装工艺的稳定的考核，还需要结合封装工艺对内部其他气氛进行监控。建议对采用易氧化的锡基焊料，一定要控制内部氧气含量，在工艺不能达到时需要考虑采用金基焊料；如采用银玻璃烧结的，一定要关注内部二氧化碳含量，通过优化工艺和增加排气来降低其含量；对平行缝焊密封细漏返工电路，一定要开帽并采取烘烤除气后再密封。通过优选材料、优化封装工艺、控制返工程序，加强密封环境和过程监控，可以很好地控制密封腔体内的氧气、二氧化碳以及氦气等的含量，从而进一步提升密封器件的质量。

[1] 丁荣峥.气密性封装内部水汽含量的控制[J].电子与封装，2001，1（1）：12-15.

[2] 顾振球，等.密封半导体器件内部水汽含量的控制[J].半导体技术，2001，7（7）：56-58.

[3] 徐爱斌，等. 密封电子元器件内部水汽含量问题探索[J].测试技术，2002，12（6）：26-28.

[4] 贾松良.封装内水气含量的影响及控制[J].电子与封装，2002，12（8）：12-15.

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Analysis and Control of Internal Gas for Hermetic Package

FENG Da1, LI Xiu-lin2, DING Rong-zheng2, WANG Yang2, MING Xue-fei2
（1.Shenzhen State Microelectronics Co.,Ltd., Shenzhen518057,China;2.Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.,Ltd.,Wuxi214035,China）

Hermetic package technology has been widely used in nowadays .There have been a lot of research on the vapor contents in electronic components sealed cavity. Internal vapor contents can be controlled in less than 5 000×10-6. But in the failure analysis about the hermetic package electronic components, we found that some failure about the components associated with other atmosphere contents anomaly in addition to other internal water vapor. For example, soldering alloy, shear strength and tensile strength will be reduced after a long-term storage, associated with the anomaly of internal oxygen contents.Silver glass sinter, shear strength and tensile strength will be reduced after a long-term storage, associated with the anomaly of internal carbon dioxide contents；The growth of the content in internal helium is often associated with inappropriate rework. These above phenomenons show that only controlling vapor contents was not enough for hermetic package. In this article, authors analyzed the relationship between the gas contents in the cavity anomaly with the mass of packaging, and the main reason caused the increase of oxygen, carbon dioxide and helium contents. At the same time, on the foundation of the analytical test,targeted technological measures is proposed. Experiments show that these improvement measures can solve the problem of oxygen, carbon dioxide and helium contents in the cavity smoothly, and obtain desired results.

hermetic package; internal atmosphere; oxygen contents; carbon dioxide contents; helium contents; moisture

TN305.94

A

1681-1070（2011）08-0010-05

2011-06-25

冯 达（1979—），男，四川绵阳人，工程硕士，现在深圳市国微电子股份有限公司工作，负责集成电路生产管理及相关工艺和技术研究。