基于银焊膏电流烧结的航天功率分立器件气密封装

2022-09-19章永飞梅云辉

宇航材料工艺 2022年4期

章永飞李欣梅云辉

（天津大学材料科学与工程学院，天津 300350）

0 引言

随着科学技术的发展，微电子器件被广泛应用于航空航天、油气开采等重要领域。由于使用环境的特殊性，一旦环境中的气体和水分进入器件内部，通常会使封装体内部芯片及电路受到外部环境的腐蚀，进而导致设备退化和过早失效［1］。为了确保微电子器件内部保持恒定的环境，以获得最佳的操作性能和更长的使用寿命，需要对封装的气密性状况严格把控，并通过气密性封装以保护电子电路免受应用环境的恶劣影响［2］。

Au80Sn20合金焊料因其高熔点（280 ℃）、良好的机械性能和抗疲劳性能，被广泛应用于电子器件的气密封装［3-4］。然而在气密封装之前，在管壳的内部已经完成好了芯片、元器件与基板的互连，Au80Sn20合金焊料封装过程需要升温至300 ℃以上［5］，高温可能会造成芯片的破坏以及焊点的重熔［6］。相比之下，平行封焊和电阻焊技术可以通过熔化盖板和管壳的接触面再冷却凝固形成密封接头，可以实现连接接头局部区域的加热，而无需将整个器件加热到高温［2，7］。然而电阻焊在气密封装过程中会破坏器件表面保护镀层，在潮湿或盐雾环境中使用时密封接头会受到腐蚀。银焊膏作为一种新型的互连材料被广泛应用于电子封装领域中［8-9］，它可以通过电流烧结的方式实现快速连接［10-12］，过程与电阻焊类似，可以实现接头局部区域加热，与电阻焊不同的是通电过程不会熔化母材，避免保护镀层被破坏。

本文提出一种新型的气密封装方法，该方法基于银焊膏电流烧结快速互连技术，可以避免传统气密封装方法的缺点，可以有效降低封装过程对电子器件本身性能的不利影响，以满足航天功率器件高可靠性要求。

1 试验

1.1 试验材料

本文用于气密封装的航天功率分立器件如图1所示，其中图1（a）为盖板，图1（b）为管壳。管壳和盖板均由Kovar合金制成，表面镀有Ni/Au层，用来提高器件的抗腐蚀性能。本文所用银焊膏由微小银颗粒和有机物混合而成，有机物包含分散剂、黏合剂和稀释剂，分散剂用来防止银颗粒的聚合和团聚，黏合剂用来确保聚合物稳定，稀释剂用来提高焊膏流动性以便于印刷［13］。

1.2 试样制备

密封样品的制备过程包含以下几个步骤：首先，将焊膏通过钢网印刷到盖板上，印刷图案和尺寸依据管壳上面需要密封的区域；然后对焊膏进行预干燥处理，防止在电极压力下出现溢出的情况，在90 ℃下预干燥20 min；最后，使用本课题组自行设计的焊接机头对银焊膏进行通电烧结，电极压力设定为10 MPa。试样的制备过程如图2 所示。因为温度对烧结银接头性能影响很大，因此用红热外相机记录了电流烧结过程中焊膏层的温度变化。

1.3 性能表征

利用Hitachi S4800扫描电子显微镜对电流烧结银接头的微观结构进行了表征，分析通电过程银焊膏的变化情况。为了评价接头的连接质量，采用XTZTECCondor150型剪切试验机，在4×10-4m·s-1的剪切速度下测定了接头的剪切强度。为了评估密封电子组件的气密性，根据GJB 548B—2005标准中规定的方法，利用氦质谱仪对密封电子组件进行泄漏率的检测与氟油粗检。

2 结果与讨论

2.1 通电过程接头温度变化

图3显示了在5.0 kA电流条件下通电2 500 ms烧结银接头温度变化曲线，可以明显地看出来，通电结束前曲线分为两个阶段：快速升温阶段和慢速升温阶段。在快速升温阶段，银焊膏中含有大量的有机物，导致其电阻较高，通电时会产生大量的焦耳热。而随着温度的不断升高，焊膏内的有机物会不断地烧蚀和挥发，会造成银焊膏电阻下降，电阻的下降造成了升温速率的降低［11］。图4为本文所用银焊膏热重分析（TGA）结果，当温度大于300 ℃时，焊膏的质量不再减少，说明焊膏中的有机物已经挥发完毕。通电500 ms时接头温度达到了298.5 ℃，焊膏中的有机物基本挥发完毕，导致升温速率出现了明显的下降。

2.2 微观分析

图5 分别给出了通电时间为200、500、1 500、2 000 和2 500 ms 的烧结银接头的微观图片。通电200 ms 时，接头温度仅到达了170.2 ℃，根据图4 中TGA 分析，此时银焊膏内的有机物未完全逸散，有机物会阻碍银颗粒之间的聚集，从图5（a）中可以发现此时银颗粒之间相互独立，接头中存在大量分散的银颗粒，它们彼此之间没有形成连接。通电500 ms，根据2.1 中的分析，有机物基本完全逸散，银颗粒之间的接触程度会增加，如图5（b）所示，银颗粒聚集程度增加，银颗粒之间出现了颈连，但是仍然存在分散的银颗粒。继续增加通电时间，彼此接触的银颗粒会通过扩散逐渐形成颈连接，并且接头温度也会继续增加，温度越高越有利于银原子的扩散，银颗粒之间的充分扩散有利于银焊膏的充分烧结，从而促进了烧结银接头的致密化［14］，越致密的烧结接头越有利于提高接头的性能。如图5（c）、（d）和（e）所示的烧结接头中独立的银颗粒逐渐消失，银颗粒之间的连接程度逐渐增加，烧结银接头越来越致密。

除此之外，有研究表明烧结银接头的屈服强度会随着温度的升高而减小［15］。Mei 等人［16］研究银焊膏电流烧结接头的致密化机制发现当接头的温度超过400 ℃，烧结银接头在电极压力的作用下会发生塑性变形，大的或者连续的孔洞会被变形的颗粒分割、填充并被挤压闭合，烧结银接头进一步致密化。当通电2 500 ms 时，接头的温度达到了403.4 ℃，在如此高的温度下，烧结银接头会在10 MPa 的电极压力下发生塑性变形，消除一些连续的孔隙，从而增加了银颗粒之间的接触面积，从而增强了致密化。图5（e）所示通电烧结2 500 ms 的接头中孔隙趋于闭合，形成了非常致密的接头。致密程度越高越有利于提高接头的剪切强度，同时对提高密封性能也有好处。

此外，通电500 ms时接头温度达到了298.5 ℃，根据TGA曲线，此时焊膏中的有机物几乎完全挥发。而根据微观形貌分析，此时烧结银接头未致密化，接头中有大量的孔隙，未形成密封接头，挥发的有机物可以很容易地逸散至腔体外。有机物挥发完全后，烧结银接头才逐渐致密化形成密封接头。因此，在形成致密的密封接头之前，有机物可以很容易地逸散至腔体外，气密封装后样品内部几乎无有机物残留。

2.3 接头强度

图6给出了不同通电时间下烧结银接头的剪切强度，当通电1 000 ms时接头强度仅仅为11.1 MPa。随着通电时间的增加，烧结银接头的剪切强度不断增加。通电时间增加到1 500 ms，剪切强度增加到25.2 MPa。通电时间进一步增加，通电2 000 ms和2 500 ms时，剪切强度分别为38.6 MPa和46.5 MPa。接头温度随着通电时间的增加而不断增加，温度越高越有利于银原子的扩散［17］，从而越有利于银焊膏的充分烧结。因此，烧结接头会随着通电时间的增加越来越致密，使得接头的剪切强度也会随着通电时间的增加而增大。剪切测试结果与微观分析结果一致。

2.4 气密性表征

气密封装最关键的是要保证接头的密封性能，如果接头中存在明显的气孔或裂纹等缺陷，那么无法保证封装器件的气密性。利用超声扫描显微镜面扫描模式（C-scanning acoustic microscope，C-SAM）对烧结银层进行检测，观察是否有气孔、裂纹等缺陷。5.0 kA 下通电2 500 ms的烧结银接头的C-SAM检测结果如图7所示，其中外围深色的环形区域表示烧结银密封环，可以看出密封环颜色均匀一致，表明烧结银层无明显的裂纹和孔洞等缺陷。烧结银层与盖板和管壳的界面紧密结合，未发生分层。

为了定量地分析银焊膏电流烧结气密封装器件的气密性，利用氦质谱仪对密封器件进行了泄漏率的检测，6个密封样品的泄漏率值见表1。检测的样品中泄漏率最大值为3.6×10-3Pa·cm3·s-1，低于GJB 548B—2005规定的拒收泄漏率极限5.0×10-3Pa·cm3·s-1（拒收极限依据密封腔体体积）。并且6个样品经过氟油粗检时，未发现有连续的气泡从腔体中冒出，表明粗检合格。