粘片焊料二次流淌对铝硅丝键合衬底可靠性影响研究

田爱民

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

在集成电路高可靠陶瓷封装领域，尤其是针对航空航天领域，对高可靠封装的要求较高，因此一般选用合金焊片作为芯片粘接材料的粘片工艺。相比于聚合物粘片，合金焊片粘接工艺没有水汽、氧气、二氧化碳等气体释放问题，在满足粘接强度要求的同时，合金焊片与管壳热匹配性更好[1-4]。在某款器件的封装中，为防止和芯片焊盘的金铝效应问题，选用铝硅丝作为互联材料；封帽使用AuSn 熔封工艺，相对于陶封封装常用的平行缝焊工艺，其气密性可达10～12Pa·m3/s，漏率高出一个数量级，且不会破坏表面镀层，抗腐蚀性更强[5-7]。该款器件在一致性检验中内部目检发现问题，按照国军标相关标准，判定为不合格。本研究即围绕此问题展开，通过逐步排查与实验，层层分析，确认键合位置的详细情况，以及键合点是否存在可靠性隐患。

2 问题提出与初步排查

器件在一致性检验的内部目检时出现了如图1所示现象，被判定为不合格。不合格位置在芯片粘片区的衬底铝丝和焊料接触区域。不合格原因是键面积的25%以上位于芯片安装材料之上，不符合GJB548B-2005 方法2010.1 3.2.1.4h 标准的要求[8]。

图1 键的位置在芯片粘接材料之上

通过光学显微镜观察该失效位置，无法直接判定是键位于粘片焊料之上，还是键合材料被粘接焊料包围。首先要验证键是否在芯片安装材料之上。

该款器件的封装主要包含粘片、键合、封帽三项工艺。粘片工艺使用铅铟银合金片；键合工艺为硅铝丝超声楔焊；衬底键合方式为第一键合点在管壳键合指上，第二键合点在管壳粘片区上；封帽使用金锡熔封工艺。

取该电路管壳和芯片各2 只，按照其组装工艺条件进行粘片。粘片后电路编号为1#和2#。2 只电路均使用与正式电路相同的设备和键合方式及工艺参数键合到衬底。1#电路直接将铝硅丝键合在焊料上；2#电路将铝硅丝键合在焊料与粘片区镀金层交界的位置处。结果表明，1#电路的铝丝无法键合在焊料上，如图2 所示。

图2 铝丝压在焊料上

2#电路的铝丝键合点一部分与镀金层形成了冶金结合，另一部分并未与焊料形成冶金结合。当铝硅丝完成在交界面的超声结合动作后，线夹闭合，进行扯线动作。铝丝断裂发生在最薄弱处，即焊料与镀金层交界位置，无法形成完整的键，如图3 所示。

图3 铝丝压在焊料与镀金层界面

对试验结果分析可知，铝硅丝只与镀金层发生冶金反应，与焊料不能发生冶金反应。由此可以证明失效器件并非是铝硅丝直接键合在芯片安装材料之上，而是被芯片安装材料包裹。

3 原因分析及试验验证

对于键合点被芯片安装材料包裹的原因，分析如下：在封装过程中，由于封帽时工艺峰值温度高于粘片材料的共晶点温度，粘片焊料继续向外流淌，流淌到了铝丝键合点位置，最终表现为图1 中显现的样貌。故内部目检结果中的形貌实际为焊接材料在封帽过程中融化后继续流淌造成的。这种状态是键合在先，流淌在后，即该键合点并未在焊接材料上方，而是被焊接材料环绕。

取该电路所用管壳和芯片各8 只，按照其组装工艺条件进行粘片。粘片后电路编号为3#～10#。这8 只电路均使用与正式电路相同的设备和键合工艺参数压衬底，衬底键合位置均在粘片焊料位置附近，并记录焊料流淌和压衬底位置。而后按照封帽工艺条件进行操作，并开盖观察对比封帽前后粘片焊料流淌位置变化。8 只电路在封帽前后均发生了粘片焊料流淌的情况，每只电路流淌的距离均不相同，其中5#、6#、7#、8#样品电路出现了与失效器件同样的情况，即粘片焊料在封帽后流淌到了键合衬底键合点位置，形成了部分包围的情况。如图4 所示，为7#电路封帽前后焊料流淌变化情况。

图4 7#电路封帽前后粘片焊料流淌变化

试验表明粘片焊料会在封帽时向外流淌。5#～8#的样品电路复现了与失效器件同样的情况，说明铝硅丝并不是直接键合在粘片焊料与镀金层交界位置，而是封帽后焊料流淌到压衬底铝丝位置，并形成部分包裹。

经过上述试验的验证结果可以证明：一致性检验中的内部目检结论不准确。

4 可靠性加速试验

虽然焊料部分包裹键合丝不作为失效判据，但是否存在质量隐患、影响电路可靠性，仍需要进行可靠性试验验证。

取该电路用管壳和芯片各6 只，按照其组装工艺条件进行组装。将器件编号9#～14#。按照航天标准考核键合丝可靠性要求，进行300℃、24h 存储试验和168h、125℃寿命试验，保证键合丝数量在10根以上，测量可靠性试验后键合拉力以及断点位置。其中9#～11#器件进行125℃、168h 寿命试验，试验的部分关键数据如表1 所示。

表1 125℃、168h 寿命试验结果（局部数据）

表中断裂位置的含义为：A1 表示第一点颈缩处引线断开；A2 表示第二点颈缩处引线断开；B 表示在非颈缩点上引线断开。

此次试验中9＃～11＃器件共计有114 根键合衬底铝硅丝，其中有30 个键合点被全部包裹，拉力平均值为7.382g；35 根键合点被部分包裹，拉力平均值为7.264g；49 根键合点未被包裹，拉力平均值为7.074g。所有衬底键合丝键合拉力均满足封帽后大于2g 的标准要求，并且所有线断裂位置均在颈缩处或者键合丝中间，并未发生从金铝键合界面位置断裂的情况。

对12#～14#器件进行300℃、24h 存储试验，试验的部分关键数据如表2 所示。表中断裂位置的含义与表1 相同。

表2 300℃、24h 存储试验结果（局部数据）

试验中12＃～14＃器件共计有93 根键合衬底铝硅丝，其中有12 根键合点被全部包裹，键合拉力平均值5.932g；32 根键合点被部分包裹，键合拉力平均值5.657g；49 根键合点未被包裹，键合拉力平均值5.697g。所有衬底键合丝键合拉力均满足封帽后大于2g 的标准要求，所有线断裂位置也均在颈缩处或者键合丝中间，并未从金铝键合界面位置断裂。

5 结束语

试验充分证明，键合丝在实际上无法键合在芯片安装材料上，而是封帽过程中，粘片焊料重熔二次流淌到压衬底键合丝位置，对键合点形成了包裹，问题得到了准确的解释与解决。通过125℃、168h 寿命和300℃、24h 存储两个加速试验，对未被焊料包裹的衬底键合丝和被焊料包裹的压衬底键合丝的键合拉力进行对比，拉力基本一致，未出现衰减现象，均满足封帽后大于2g 的标准要求，并且所有线断裂位置均在颈缩处或者键合丝中间，未有从金铝键合界面位置断裂，表明在封帽工艺参数下，粘片焊料二次流淌包裹压衬底铝丝并未对其可靠性造成影响。