高可靠集成电路封装技术研究

张知

摘 要：针对半导体模拟集成电路内部水汽含量大，不能满足装备对集成电路长期可靠性要求的现状，对陶瓷熔封、金属储能焊封两种封装技术进行了系统分析，针对可能导致器件内部水汽含量增大的主要原因，进行工艺研究， 实现了有效控制器件内部水汽含量的预定目标，使封装器件内部的水汽含量由10000～50000ppm提升到5000ppm以内的水平，大幅度提升器件封装的可靠性。

关键词：集成电路；金属封装；陶瓷封装；内部水汽含量

1 前言

内部水汽含量是陶瓷封装及金属封装集成电路的主要控制参数，如果水汽含量过高，如大于10000ppm以上时，会对集成电路的长期可靠性产生严重的影响，导致器件内容短路、漏电、烧毁等失效现象。在装备可靠性要求较高的场合，要求器件封装内部的水汽含量控制在5000ppm以内，如何实现这一目标，是研究的主要课题。

为此，在工艺改进、设备改进、系统控制等方面作了充分、详细的策划，以储能焊系统、陶瓷熔封系统为核心展开技术研究。

2 内部水汽含量水平现状

近年来，由于市场竞争的十分激烈，质量及可靠性是决定市场取胜的必要因素之一，客户要求越来越高，明确要求器件封装内部的水汽含量控制在5000ppm以内。不少人在内部水汽含量控制方面作了不少努力，如在封装前增加烘烤，采用充N2封装等，但对控制效果一直没有作系统的定量评价。为了准确地了解现行封装工艺对内部水汽含量的控制效果，对主，对市场上购买的产品进行了内部水汽含量测量。测量结果见表1。

测量结果表明：普通产品的内部水汽含量在10000ppm～50000ppm之间分布，其典型值在35000ppm附近，与≤5000ppm标准要求相比，相差甚大。

3 原因分析与研究

3.1 内部水汽含量大的原因分析

根据测量结果，结合陶瓷熔封的链式烧结系统、储能焊封装的HA-8型系统，开展了相关原因分析和验证活动，基本确定了导致器件内部水汽含量高的主要因素有以下几个方面：

3.1.1 两个独立封装系统中存在的共性因素

⑴封装产品均采用国产环氧型导电胶（DAD-87）作为芯片的粘结剂。这类粘结剂中的各种有机物在现行工艺尤其是封装前的预处理工艺中不能充分挥发，在封装以后的各种老化、筛选过程中，体内的有机物逐渐溢出（挥发），这些有机物在某种应力（如温度、电应力等）的作用下产生电化学等反应，有的形成水汽物质，从而导致了器件腔体内水汽含量大量增加。

⑵充N2封装未起到干燥腔体、减小水汽含量的预期效果，主要原因是=“高N2”实际达不到99.99%的纯度要求，且不稳定，有的瓶装N2的水汽含量测量值竞大于100ppm。

3.1.2 储能焊封系统的影响因素

HA-8型储能焊设备仅采用红外烧烤箱对封装前在制品进行干燥，不会降低水汽相对比例，是一种“假干”现象。

同时，经预处理的待封装产品在移至操作箱的过程中，不可避免地要与大气交换；在戴帽的情况下充N2（操作箱内呈正压状态）过程中，势必发生交换不畅的现象。

综上所述，有效控制器件内部水汽含量，使之达到攻关目标，问题集中在如何解决以下问题：

在使用导电胶粘结材料中，必须研究并确定“稳定性烘烤”的最佳工艺，为经烧结后的导电胶中的挥发性有机物提供释放空间是关键。

建立具有保持预烘效果，封装环境干燥度得到有效保障的充N2封装系统是重要的。

3.1 技术攻关措施

3.2.1 陶瓷熔封系统

根据分析结果，认为：要有效控制陶瓷熔熔封器件内部水汽含量并使之保持在≤5000ppm，在其他条件不变的前提下，采取如下技术措施是比较合适的：

⑴结合芯片剪切力攻关，采用新的粘结剂（低溶玻璃烧结），在芯片烧结过程中，适当地控制预烘温度的升温速度，为给玻璃的调和剂（松油醇）提供一个充分的挥发条件；见温度曲线示意图（图1）

⑵在封盖烧结之前，至少提前2小时对链式烧结炉的所有温区通高纯N2，确保烧结过程（温度建立区、软化区、烧结区、稳定区）始终处于N2气保护之下。

⑶对N2水汽含量进行严密监视，对封装用的高N2，采取逐瓶测量的措施，确保大于10ppm的瓶装N2不用于封装。

3.2.2 储能焊封装系统

在其他条件不变的财政部下，采取如下技术措施是比较合适的：

⑴N2水汽含量必需小于10ppm的，烘烤时间≥48小时。

⑵采用充氮抽真空烘箱进行烧烤，并与HA-8储能机操作箱连为一体。

⑶确定产品经稳定性烘烤转入封装系统后，在充N2和125℃条件下至少烘烤4小时才由密封门进入操作箱进行封装操作。

3.2.3 关键技术

采用电子除湿技术，达到了操作箱24小时长期干燥控制，使该环境始终处于5%RH以下水平。

确保操作箱和洁净烘箱两大系统“密封性”对接难题。经过4小时烘烤后转入操作箱的过程中，不产生与外环境接触的机会。

4 试验结果

⑴建立了一个有效控制器件内部水汽含量的封装系统。经封装系统的技术研究、工艺研究，无论是陶瓷封装和金属圆形封装产品的内部水汽含量从设备系统能力和工艺合理化等方面得到了保障。

⑵试验结果达到了预期目标。表2是黑陶瓷封装产品（1302～1309）水汽含量的检测数据统计表，表3是金属圆形封装产品（1306～01309）水汽含量的检测数据统计表。

大量数据表明：经技术研究及改进后的两种封装形式的产品，其内部水汽含量得到了有效控制，其波动幅度在800ppm～5000ppm之间。

5 结论

⑴将原封装的粘结剂改为低熔玻璃材料和对各烧结过程的严格控制，以及适宜的工艺组合，获得了稳定、可靠地控制封装产品的内部水汽含量，达到了≤5000ppm的攻关要求。

⑵在稳定性烘烤方面，对经充分预烘后的产品在封装时的各种影响因素得到有效控制，确保了产品在充分干燥和N2环境中完成封装，有效地控制了封装产品其内部水汽含量≤5000ppm的水平。

⑶通过多次反复试验、验证活动，产品质量一致性、重复性满足预期要求。

[参考文献]

[1]李可为.集成电路芯片封装技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2013：43-52.

[2]周良知.微电子器件封装-封装材料与封装技术，[M].北京：化学工业出版社，2006：61-68.