极低水汽含量的封装工艺研究进展

迟雷，桂明洋，焦龙飞，安伟，刘涛

（1.中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄 050051； 2. 国家半导体器件质量检验检测中心，石家庄 050051）

引言

密封半导体器件的内部气氛是其环境适应性及可靠性的重要影响因素，其中水汽含量是危害较为严重的一种内部气氛，过量的内部水汽含量会引起包括腐蚀、离子粘污、电迁移、金属迁移、机械损伤、介质分层等失效[1,2]。早在上世纪七八十年代，国外先进厂商关于密封器件封装工艺的研究已经达到相当高的水平，能够将水汽含量控制在500 ppm 以下，并提出在超高可靠性应用领域，200 ppm 是其水汽含量控制的极限，该极限指标是由当时先进制造商能实现的水平和测试极限能力综合确定的[3]。我国在器件内部水汽含量的控制工艺方面起步较晚，长期以来与国外先进水平存在较大差距。中国电科十三所报道了一批封装于1984 年的国产半导体器件的试验，其内部水汽含量为（2.3~11.4）%[4]。直到上世纪末，器件内部水汽含量问题才逐渐在国内引起重视，1999 年，信息产业电子第五研究所先后开展了军用密封元器件内部水汽含量的比对测试和普查分析，结果证实了国外元器件内部水汽含量都在500 ppm 以下[5]，但即使以小于5 000 ppm 为合格判据，当时国内器件的不合格率仍达73 %[6]。

为缩小与国际领先水平间的差距，近年来国内众多半导体器件的生产厂家和检测机构持续开展低水汽封装方面的研究。到2015 年，国产器件的水汽含量合格率已经达到89.9 %[7]。时至今日，国内半导体厂商封装工艺不断发展，逐步将多种产品水汽含量控制在（200~500）ppm。本文梳理了低水汽封装的基本原理，并介绍我国电子器件低水汽封装工艺的发展脉络和新技术发展方向。

1 水汽的来源与影响

1.1 水汽气氛的来源

密封器件内部的水汽至少包括三个来源：一是封装时环境气氛中的水汽，二是空气中的水汽通过封装漏孔渗入，三是基板、外壳和其他封装材料吸附的水汽在封装后缓慢释放，或是吸附的其他气氛发生反应逐渐生成水汽。随着封装工艺的发展，前两个来源目前都得到了有效控制，进一步降低器件水汽含量的重点和难点在材料吸附水汽的去除。

1.2 水汽含量随时间的劣化

空气中的水汽含量可达20 000 ppm，理想状态下器件内部水汽含量会以负指数形式逐渐逼近该值。但实际上，绝大部分器件内部不可避免会存在吸水物质或毛细吸附结构，使水汽含量上升速度更快，甚至于水汽含量与时间函数的理论极限是线性的[8]，这也是必须在5 000 ppm 基础上进一步降低产品水汽含量的一个重要原因。

目前的封焊方式已经相对成熟，继续通过优化封焊方式降低漏率难度越来越大。且任何封焊方式都不能将漏率完全控制为0，水汽含量在（2 000~4 000）ppm 的合格产品，在贮存运输过程中，其水汽含量可能在数个月内超标。只有将封装后水汽含量控制在几百ppm，才能在较长时间内保证水汽含量不超过5 000 ppm 的合格限。根据理论预测，水汽含量在200 ppm 左右的陶瓷封装产品，采用低温烧结的方式密封，内部水汽含量保持在5 000 ppm 以下的时间可达10 年以上[9]。

1.3 水汽的影响

水汽通常与其他应力耦合作用，如凝露、结霜是低温条件下的水汽引起的，水汽加速腐蚀则是在电应力的作用下产生的。

部分半导体器件对水汽非常敏感，这些效应常与低温或快速温变有关，常见的是宇航应用的晶振和继电器，如果晶振内部水汽含量较高，低温下会产生水汽凝露，改变晶体的核质比，使晶振输出不稳甚至停振[10]，而继电器则面临转轴部位结冰，造成功能失效[11]。

另一方面是腐蚀效应，水汽加速铝金属化层的腐蚀[12]的反应式非常经典，被广泛讨论：

水汽加速腐蚀的机理是在材料表面凝结，并形成可能仅有数个单分子层的电解液膜，在电场作用下形成腐蚀电流，理论上水汽含量越高，腐蚀速度越快。早期的研究指出，维持这种反应需要1.7 %的水汽[3]，而现今的合格产品已不再有如此高的水汽含量，该反应可能不再是水汽的主要危害。

还有一种更重要的腐蚀效应是金迁移，其机理与铝金属化层的腐蚀具有一定相似性，同样是水汽形成电解液薄膜，腐蚀性气氛使电场中的阳极金属溶解。不同的是铝以外的金属不存在致密氧化物膜，腐蚀将持续发生，金属离子在电场作用下逐渐向阴极迁移[13]，形成导电通路，使器件绝缘耐压性能下降，严重时最终会引起短路失效，这种效应存在更广泛，危害也更严重。

对绝大部分器件而言，实现（200~500）ppm 的极低水汽含量对器件可靠性的提升作用非常明确。但也另有一种观点认为少量的水汽（约1 000 ppm 以上）反而有助于形成致密的薄膜，抑制铝被进一步腐蚀[12]，同时也有研究指出，水汽含量低于200 ppm 时，可能造成中小功率继电器触电粘结，不能正常释放[11]。因此在一些特殊应用场景下，水汽含量也并不总是越低越好，水汽优化方案应结合产品的性状来确定。

2 低水汽封装的工艺控制措施

2.1 外壳制备

外壳制备工艺对实现500 ppm 以下的极低水汽含量是十分关键的，但没有引起足够的重视。传统上总是认为通过短暂的烘焙，外壳表面吸附的水汽很容易就被去除干净，但实际情况要复杂得多。

半导体器件最常见的封装有金属-玻璃外壳、金属-陶瓷外壳和塑封。其中塑封材料易吸水，对塑封器件而言细检漏和内部水汽含量均没有意义。金属外壳、陶瓷外壳都会涉及电镀，而电镀是在水溶液中进行的，少量水汽会被封闭在镀层内[14]，部分外壳还会进行多层电镀。这部分水汽很难快速去除，但会在器件长时间高温工作时缓慢释放出来。要有效去除这部分水汽，除延长封装前的烘焙时间外，还应该加强外壳制备过程中的工艺控制，即在每道电镀工艺后增加高温烘焙，并且烘焙条件应在材料本身稳定性允许的情况下应尽量加严，其意义不仅是去除外壳镀层中的水汽，更重要的是去除外壳材料吸收的氢。

可伐合金是最常用的金属外壳材料，可伐合金会溶解部分氢气（分子极小的氢渗入金属内部）。因为传统上在外壳制备工艺中会采用氢气作为还原性保护气体，氢溶解的问题相当严重。这些氢气会在封装完成后持续缓慢释放，本身就具有严重危害。关于氢气是否会发生化学反应生成水汽一直存在争议，在常温下氢气生成水的反应速率非常缓慢，理论上经过多年生成的水汽仍低于可检测的水平[14]。然而，有催化剂的情况下这个反应则会快速发生，半导体器件内部材料成分非常复杂，不仅有能溶解氢的合金材料，还存在多种杂质，其中可能存在起到催化剂作用的成分，如外壳材料中常见的镍在掺杂某些杂质后即可作为氢氧化反应的催化剂。根据可伐合金封装器件的试验数据，随着高温贮存，器件内部氢含量大幅升高，这是由氢溶解于可伐合金并在高温下释放引起的，同时水汽含量升高、氧气含量不升反降[15]，氧气含量下降表明在镀金的可伐合金封装器件内极有可能发生了氢生成水的反应。因此，控制外壳吸附、溶解的氢也是实现极低水汽的必要措施。

2.2 基板选型

器件、组件常用的基板材料是罗杰斯基板，但罗杰斯基板结构疏松，且表面积大，吸附的水汽很难去除干净，存在类似问题的还有氧化铝基板。要实现极低水汽封装，最好选用低吸水率的陶瓷基板或玻璃基板。有部分新型产品采取了将基板外置的方式，避免基板吸附的水汽对产品内部气氛造成影响，如图1 所示。

图1 一种将基板外置的封装形式

2.3 贴装方式

贴装方式有导电胶和烧结，含有环氧树脂的导电胶是一种易吸水材料，但在某些器件中是必需的材料，一般通过适当的固化工艺可以降低导电胶的水汽含量。然而，导电胶引入的水汽含量还与封焊方式有关，焊接时的高温会造成导电胶中的有机物-水聚合物发生分解[16]，此过程产生的水汽将直接被封装在产品内腔中，无法再排出。因此，如果产品生产工艺中使用了导电胶，则采用冷压焊方式代替传统平行封焊、熔封焊等，有助于避免导电胶分解引起的水汽超标。如果不使用导电胶，采用烧结的方式固定内部芯片或元件，则情况相反，在芯片和材料能承受的前提下，采用操作温度最高的熔封焊反而能实现最低的水汽含量[17]。

2.4 烘焙工艺

高温烘焙是去除水汽的最有效手段，外壳、基板和其他材料吸附的水汽都是如此。除了温度、时间等传统条件的优化选择，烘焙的关键在于抽真空-充氮气的循环清洗工艺。该种工艺的早期报道见于晶体管封装，通过抽真空和充氮气的数次交换，晶体管水汽含量接近国际先进水平[18]。类似的烘焙工艺也被用于晶体振荡器，由于晶体振荡器的晶体、焊点等结构无法承受过高温度，烘焙温度一般需控制在（125~150）℃，难以大幅提高，则可通过增加抽真空-充氮气循环清洗次数降低产品的水汽含量[10,19]。针对这种耐温能力受限的元件，一种改良工艺方法是先以较高温度（可达300 ℃左右）烘焙外壳和盖板[20]，再进行通常的抽真空-充氮气循环清洗的方式，如图2 所示。外壳和盖板的高温烘焙不仅去除水汽，更关键的在于除氢，这对于无法控制制备工艺外购外壳和盖板而言尤为重要，烘焙全程在真空下进行即可，为了避免过快温升对外壳和盖板造成损伤，温度可呈阶梯式上升。烘焙完成后降温到（125~150）℃，在图2 虚线时刻，将预处理后的其他芯片、元件真空转运至高温仓，继续进行抽真空-充氮气循环清洗。

图2 改良工艺的温度与氮气压强时序

3 低水汽封装的前沿技术

目前极低水汽封装相关技术仍在不断发展，一些新技术可能有助于实现更低的水汽含量指标。

3.1 干燥与水汽捕集

含硅（Si）合金焊料的应用有助于降低封装内部水汽含量，因为Si 可以与水汽发生反应，这类焊料能起到干燥剂的作用，使封装后的水汽含量下降[11]。但也有研究指出，封装内部存在干燥剂时水汽随漏率的劣化会随之加快，在高温下这部分水汽仍会析出[6]。基于产品体积和温度稳定性的考虑，在封装内部加入额外的干燥剂降低水汽含量的方案极少被实际应用。

相比于上述方案，在真空烘焙舱内进行干燥显然有助于高效率去除水汽，但频繁更换干燥剂会对工艺路线造成干扰，深冷式水汽捕集技术将有望改善该问题。这种技术主要依靠超低温实现，通过机械式制冷，在真空环境下将水汽吸附到捕集表面。与化学式干燥剂相比，最突出特点是深冷水汽捕集过程是可逆的，便于支持工艺过程的连续运行。该技术的初衷是为了提高某些真空系统的真空度，据报道，水汽几乎是真空系统中最难去除的气体，当真空度高于1*10-4Pa 时，残余气体中的水蒸气高达（65~95）%，由此可知氮气循环清洗过程并不能将水汽等比例排出，这也是氮气循环清洗必须反复进行的原因所在。通过该类技术捕集真空条件下的水汽，将可能有助于高效率实现更低的水汽含量指标。

3.2 真空或低气压封装

密封器件包含高纯氮气封装和真空封装等类型，其主要目的都是为了隔绝水汽等有害气氛对芯片和材料的腐蚀破坏。目前水汽含量指标主要是就纯氮气封装而言的，真空封装器件内部被认为基本不存在水汽，但实际上这是一种误区。因为材料吸附气体缓慢释放等效应，真空封装器件内部仍然不可避免会存在水汽。

真空封装内部水汽的危害可能与高纯氮气封装有所不同，这方面的研究尚不充分，其中一种显而易见的危害机理是，某些宇航产品需要保持一定的工作温度，需要内部加热电路和隔热设计，对宇航产品而言功耗是相当关键的指标，内部水汽含量的上升会降低隔热性能，因而增加产品的功耗。

关于真空封装器件的水汽含量，主要技术瓶颈在于缺乏可靠的测试技术，产品的水汽含量指标无从验证，工艺优化缺乏直观参照。该项测试技术在近年来取得了一定突破，有部分相关发明专利获得了公开，随着这些技术的授权和应用，该问题将有望得到改善。

4 结论

本文总结了半导体器件封装内部水汽含量的来源及影响、工艺控制措施及前沿技术。水汽来源主要有封装时的气氛残留、材料吸附和环境中水汽的缓慢渗漏，水汽对产品可靠性的影响是多方面的，典型危害为铝腐蚀和金迁移腐蚀。封装工艺中的外壳制备、基板选取、贴装方式和烘焙是对降低水汽含量比较关键的环节，目前已经有了适当的工艺控制措施，相关领域内的前沿技术有水汽捕集技术与真空封装水汽测试技术，将有助于进一步降低水汽含量。