干货分享 | 小尺寸器件气密性封装工艺的水汽控制

随着对产品可靠性哀求和检测技能的提高，对小尺寸器件的水汽掌握提出了明确哀求。
本文剖析了水汽偏高的缘故原由，提出了小尺寸器件水汽掌握的技能要点，设计了金锡合金封装工艺方法。

选用金锡合金预成型焊环作为封装材料，通过大量试验摸索出一种较佳的封装工艺掌握程序，有效办理了小尺寸器件的水汽掌握问题，担保了产品的电性能和可靠性。

一、序言

随着科学技能的迅速发展，对电子器件的可靠性哀求越来越高。
气密封装能够有效隔绝器件内部芯片与外界环境，打消外界滋扰，担保了产品的可靠性，并被广泛地运用于各种运用。
但其内部的水汽含量会直接影响产品的电性能和可靠性，以是内部水汽含量掌握变得尤为主要。

《GJB597半导体集成电路通用规范》及《GJB548微电子器件试验方法和程序》规定：完成所有筛选试验之后的器件，其内部水汽含量在100℃条件下不得超过5000ppm。
以往受到检测设备的限定，对付腔体体积小于0.1mm3的器件无法进行水汽检测。
但目前，通过检测机构的研究攻关，已经能够对腔体体积小于0.1mm3的器件进行水汽检测，故对小尺寸器件的水汽掌握提出了明确哀求。

对付小尺寸器件而言，由于内腔较小，总体内腔气体较少，以是很低的水汽就会造成水汽检测超标，内部水汽掌握存在难度。
故本文针对小尺寸器件导电胶装片、金锡合金封装的常见工艺提出了水汽掌握的方法。

二、水汽含量的来源及其影响

器件水汽含量来源紧张有以下三方面成分：

1、器件内部材料含有水汽，在后续筛选利用的高温环境中逐渐开释，导致内腔水汽超标；

2、封装环境掌握不敷，氮气纯度不高导致水汽含量不合格；

3、器件密封性能差，无法完备隔绝外部环境，致使外部环境的水汽渗入壳体内部。

水汽含量较高时，芯片表面的水会引起器件电性能的劣化，堕落金属化系统，降落器件可靠性，并终极导致产品失落效。

在电性能劣化方面，紧张缘故原由是水汽会在芯片形成带有正、负离子的水膜，离子导电导致泄电流增加，参数超差，乃至失落效。

在堕落金属化系统方面，紧张缘故原由是器件芯片与外引线连接是采取细的铝线键合的方法形成互连。
较高的水汽会在电场浸染下发生电解，对铝系统造成堕落，导致电路开路。

三、水汽含量掌握方法

1、原材料掌握

金锡合金颠倒型封装工艺紧张原材料包括芯片、管壳、芯片粘接材料导电胶、键合股料，以及封装材料金锡合金焊片。
由于水分子的亲和力及与固体表面之间的吸引力浸染，空气中水分子会随意马虎吸附在原材料表面。
陶瓷管壳的表面很粗糙，凹凸不平，而凹陷处更随意马虎积聚水分子。

所有原材料的储存环境应对湿度进行掌握，防止过多水汽吸附。

芯片和管壳在利用前通过烘焙去除材料表面吸附的水汽，烘焙可以在充高纯氮气或抽真空烘箱内进行。
一样平常烘焙的温度越高，真空度越低，韶光越长，效果越好。
因此，在不影响材料性能和可靠性的条件下，只管即便提高烘焙温度，以达到更好的效果。
同时，最好选择充氮气和抽真空二者结合，以真空烘烤为主，周期性充氮气抽真空，可以担保真空环境下更低的水汽含量，确保将水汽和氧气等从产品表面吸出。

芯片粘接材料——导电胶高温下开释气体，选择高温下失落重更小的高温导电胶，并在装片后进行充分固化。
考虑真空下对导电胶进行烘焙会使导电胶内外压差较大，气流扰动大，随意马虎在导电胶表面涌现孔洞，故选择在高纯氮气的烘箱内进行烘焙。

2、封装环境掌握

封装台操作箱内通入的是99.999%的高纯度氮气，空想情形是可以知足水汽低于5000ppm的哀求。
但是，实际器件内部水汽含量每每偏高。
经剖析，操作箱内氮气压强不高时，大气中水汽会通过操作台、操作手套的眇小的孔洞进入操作箱，并附着在操作箱内壁和工装夹具的表面，然后操作时缓慢开释，导致操作箱内水汽含量升高。
同时，由于这种封装炉的内部气氛较难掌握，须要不断地输入高纯度且干燥的氮气才能担保密封工艺实现。
为了避免工艺掌握难度过大和资源摧残浪费蹂躏等问题，以真空/氮气共晶炉代替封装台，共晶炉以自动化办法替代原来的手动办法，去除操作手套，避免操作手套高温老化引起的漏气，并采取打算机掌握运行，能够实时监控温度的工艺曲线并记录存储，能够对抽真空、加热、充惰性气体、正压、排气等功能进行设置及掌握。

为了严格掌握共晶炉内的水汽含量，在关闭设备前，紧闭共晶炉并充入氮气，担保炉内压强高于外部压强，防止微量水汽进入附着在共晶炉内部。
同时，在封装前对共晶炉及炉内工装夹具进行高温烘焙，去除水汽。

3、封装工艺掌握

由于小尺寸器件的封装沿相对较窄，人工操作难度较大，焊料过多会落入腔体形成多余物，焊料过少又会导致密封毛病，引入水汽。
故通过比拟封装效果，选用最佳尺寸的成型金锡焊环替代金锡焊料，掌握焊料用量。
采取颠倒封装替代正置加热，既避免焊料落入腔体，又降落了装片区域的加热温度，减少导电胶水汽开释及老化。

在封装过程中，如果焊片或封装沿表面存在氧化膜、粉尘沾污或封装位置存在未排出的气泡，就会阻碍金属相互渗透，留下的缝隙冷却后形成空洞。
随着器件的利用，这种空洞会引发器件漏气，导致水汽引入产品失落效。
以是，封装前在超净事情台内用显微镜镜检封装沿与金锡焊环表面，如存在多余物，用高纯氮气吹洗，不能吹洗的附着多余物可用拨针拨动或用眇小的棉球擦拭，然后再用高纯氮气吹除。
在封装过程中利用模具将盖板、焊环和底座依次放入后，用压块对底座施加一定的压力，以便排出封装位置气泡，使底座跟盖板更好的连接。
为了找到得当的压块重量，采取不同重量的压块放在模具上，对电路施加压力，封装结束后，对封装的电路进行密封和X光检讨，选择密封性更好、空洞率更低的压块重量。

四、试验

试验采取的器件壳体尺寸为3.6mm4.5mm1.5mm；盖板尺寸为3.4mm3.4mm0.25mm；金锡焊料预成型焊片选取尺寸为3.4mm3.4mm0.05mm的Au80Sn20合金焊片；器件的内腔体积为0.004cm3。

将盖板、焊片和器件依次放入定位夹具内，压入压块，放入共晶炉，经由抽真空充氮、加热、降温过程，完玉成部密封过程。
加热曲线如图1所示。

小尺寸器件的内腔体积小，内部的气体总量也减小，只要有一点水汽含量，比例就会很高。
封装时产品倒扣放置在夹具中，并在上方施加向下的力，以是封装前如果抽真空加氮的韶光或次数不足，会导致内腔华夏来的空气和导电胶开释的水汽不能完备排出，以是真空和充氮的机遇非常主要。
为了确定得当的抽真空充氮的办法，进行试验比较内部水汽含量及封装效果，结果如表1所示。

由表1可见，试验2的气体换置办法最佳。
根据试验1、2结果剖析，真空烘焙有利于材料、设备表面吸附的水汽排出；根据试验2、3结果剖析，由于气体置换须要韶光，以是如果在封装温度时才充入氮气会导致内部氮气不敷，终极水汽比例上升。

以50只器件为一批进行封装试验。
封装后按照GJB548方法1014哀求进行检漏试验，无漏气征象，合格率100%。
随机抽取30只器件，按照GJB548方法1010哀求进行温度循环试验，试验条件-65℃～+150℃、保温10min、循环200次，温度循环后外不雅观镜检和检漏均合格，合格率100%。
随机抽取9只器件按照GJB548方法1018哀求进行内部水汽含量检测，试验结果如表2所示，所有器件在历经各种温度试验后水汽均低于5000ppm。

五、结论

采取金锡焊环封装工艺时，通过封装温度、气体压力以及材料掌握，可以使小尺寸器件的内部水汽小于5000ppm。

本文转载自：半导体封装工程师之家

作者：严雨宁 沈娟 王君 陈杰

作者单位：南京中旭电子科技有限公司

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