浅析硅氧化层对烧结工艺的影响

彭文忠

摘 要：硅的表面总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴露就会在表面形成几个原子层的氧化膜。

关键词：自然氧化层；烧结；空洞

0.引言

随着现代科技的发展，半导体器件和组件在较多领域内都得到了广泛应用。如雷达、遥控遥测、船舶、海洋探测、航空、航天等领域，随着空间的扩展和使用环境的恶劣不断加剧，都对其可靠性提出了越来越高的要求。而因芯片焊接不良造成的失效也越来越引起了人们的重视，因为这种失效往往是致命的。

在半导体材料中，硅是唯一能够用一层氧化层进行表面钝化的材料。从物理性质来看，二氧化硅材料是一种十分理想的电绝缘材料。硅的表面总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使是刚刚磨片或抛光的硅，在室温下，暴露在氧气或空气气氛中的硅就会在表面形成极薄的自然氧化层。而該自然氧化层的存在会导致产品在焊接过程中（采用金锑焊片将芯片直接焊接到管座上），芯片与管座之间形成较多的空洞，影响到产品的焊接质量。

本文主要讨论的问题就是由于芯片背面存在自然氧化层，导致产品焊接存在空洞的问题进行探讨和浅析。

1、烧结工艺的简介

芯片到封装体（管座）的焊接方式很多，可概括为金属合金焊接法（如采用金锑、金锡、铅锡银等焊片粘接）和树脂粘贴（如导电胶粘片）两大类。它们连接芯片的机理大不一样，必须根据器件的种类和要求进行合理选择。要获得理想的连接质量，还需要有针对性地分析各种焊接（粘贴）机理和特点，烧结工艺是通过加热，使芯片与管座之间，通过焊料片，形成良好的焊接。并且该焊接具有良好的热传导能力及可靠的机械牢固度。芯片的焊接是指半导体芯片与载体（封装管座或基片）形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。因此芯片的焊接质量一般通过芯片与管座之间的粘附强度、热阻大小来表征。

样品芯片焊接工艺采用金锑焊片作为焊接材料。金的熔点为1063℃，硅的熔点为1414℃，但金硅合金的熔点远低于单质的金和硅。从二元系相图中能够看到，含有31%的硅原子和69%的金原子的 Au-Si共熔体共融温度为370℃。这个共融温度是选择合适的焊接温度的主要根据。金硅共融焊接法就是芯片、焊片（金锑焊片）、管座在一定温度下，金硅合金融化成液态的Au-Si共熔体；冷却后，当温度低于共融温度时，共熔体由液相变为以晶粒形式互相结合的机械混合物——金硅共熔晶体而全部凝固，从而形成了牢固的欧姆接触焊接面。该焊接法具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高和含较少的杂质等优点。器件焊接质量是否良好的标志是芯片与管座焊接面之间的界面是否牢固、平整和是否有空洞。因而结合工作实际这里主要针对此种焊接技巧的失效原因和解决措施进行讨论。

2、样品烧结空洞分析

2.1烧结空洞问题简述

样品芯片焊接工艺采用的焊片为金锑焊片（Au99%-Sb1%），芯片背面为裸硅。样品在进行X光检测，发现大量样品存在空洞，部分样品的空洞面积达到了70%以上，如图1所示：

对样品批次进行统计，有空洞的产品数量达到了60%。对空洞样品的焊接处进行观察，芯片与焊料焊接良好，包裹完整，无异常。

2.2烧结空洞问题分析

造成样品烧结空洞过大的原因存在两个方面：

①芯片背面氧化；

②零件底座存在沾污

针对烧结空洞的判断，我们对芯片表面氧化和零件底座沾污两个可能进行相应的试验。见下表所示

从以上试验来看，造成样品烧结空洞大的主要因素为芯片背面氧化。

3、自然氧化层对烧结工艺的影响

自然氧化层为何对产品烧结空洞造成如此大的影响呢？为此，我们对自然氧化层的形成及对烧结工艺的影响进行分析。

3.1 自然氧化层的形成

采用金硅共融焊接的产品，芯片焊接面为硅，由于硅直接与大气直接接触，因此通常会该表面生成氧化层。这层氧化层会很快的覆盖整个硅表面，厚度大约在0.5nm～1nm，然后生长速度逐步减缓并最终停止，维持在一定的厚度。其最终的厚度大约在1nm～2nm左右。但其厚度还与其存放的温湿度、清洗后硅表面的化学残留物有一定的关系。形成的二氧化硅不但能紧紧的依附在硅衬底上，而且具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。

3.2形成空洞的原理分析

该型号产品在生产过程中，采用的芯片为背面裸硅。在Au-Si共融的温度下，焊片将芯片与底座焊接在一起。而当芯片背面有氧化层存在时，这层SiO2会阻挡在Au-Si之间无法形成良好的共融，导致焊接浸润不均匀，焊接质量降低，空洞增加。

4、如何避免类似问题发生

a. 原材料的前处理，尤其针对储存期较长的芯片需考虑进行背面二次减薄；

b. 划片前对圆片背面进行去氧化层处理、等离子清洗、退火等；

5、结束语

随着科学技术的不断发展，半导体器件使用领域不断扩展，对产品的可靠性要求也越来越高，芯片的焊接技术也需要不断的改进和提升。半导体器件焊接失效与焊接面洁净度差、表面不平整、是否有氧化物、焊接工艺不稳定以及管座镀层质量等有关。要解决芯片焊接不良问题，必须针对不同的焊接机理，逐一分析各种失效模式，及时发现影响焊接质量的不利因素，同时严格控制生产过程中的检验，采用科学的质量管理方法，加强工艺管理，才能有效地避免因芯片焊接不良对产品可靠性造成的潜在危害。

参考文献：

[1] James D.Plummer，Michael D. deal，Peter B. Griffin 严利人等译 硅大规模集成电路工艺技术 电子工业出版社， 2010.

[2] 半导体焊接技术