失效模式分析

芯片焊接強度受多種因素影響，涵蓋焊料、工藝條件、管殼襯底質量以及芯片背面的粗糙度和潔凈度等。對于氣密封裝的集成電路而言，把控電路內(nèi)部氣氛、確保封裝腔體內(nèi)維持較低水汽含量至關重要。

芯片焊接的直接失效模式主要包含以下兩種：

芯片脫落：芯片從粘片區(qū)域或腔體內(nèi)脫離。這屬于嚴重的失效情形，會致使集成電路完全喪失功能。引發(fā)芯片脫落的因素主要有芯片背面潔凈度、粗糙度，芯片背面金屬化層質量，以及燒結工藝等。

焊接空洞：在合金燒結時，空洞的產(chǎn)生難以避免。若空洞率過高、空洞面積過大，會增大器件熱阻，降低可靠性，還會增加芯片碎裂、脫落的可能性。影響粘接空洞率的主要因素有燒結過程中焊料的浸潤性、粘接面的潔凈程度以及燒結工藝等。

間接致使密封失效的模式主要是內(nèi)部水汽含量超標：電路封裝后，若腔體內(nèi)氣氛超出 GJB 548B - 2005 規(guī)定的水汽含量小于 5000ppm 標準，就會導致功能失效以及貯存壽命縮短等問題。不合格原因主要包括半成品電路吸附水汽、芯片粘接或焊接材料揮發(fā)有害氣體、封蓋工藝氣體純度不足等。

芯片脫落失效原因及應對措施

背金前硅片存在雜質及氧化層：若背面金屬化前采用有機溶劑清洗，雖能去除有機雜質，但可能因沖水不徹底，使溶劑自身成為新的污染物。硅片減薄后，在有機溶劑漂洗過程中產(chǎn)生的自然氧化層，同樣會對芯片質量產(chǎn)生影響?？蛇x用適當比例的 HF 去除硅片背面在此期間生成的自然氧化層，露出新鮮的硅表面，以保障金屬與硅片充分粘結，確保背金質量。

金屬化層與硅的粘附性欠佳：現(xiàn)有的 Ni - Au 結構中，Ni 兼具粘附層和阻擋層的作用，當 Au 與焊料發(fā)生反應生成合金后，會粘附在 Ni 層上。采用 Ti - Ni - Au 三層金屬進行背面金屬化，能夠提升背面金屬與硅的粘附性。多層金屬化結構還可兼顧芯片與焊料之間的機械強度和電學性能，提高器件的熱疲勞壽命。

硅片背面過于光滑或粗糙：減薄時，若芯片背面過于光滑，不利于增大焊料與芯片的接觸面積；若過于粗糙，則不利于焊料浸潤。可通過背面腐蝕改善硅片背面粗糙度，提高芯片粘接強度。

芯片背面被污染：芯片在傳遞過程中可能會被污染，影響焊料的浸潤性。因此，有必要進行有效的超聲清洗和等離子清洗，并嚴格檢查，以確保芯片粘接前的表面狀態(tài)良好。

背金未熔化：對于大面積芯片電路，容易出現(xiàn)管殼溫度低于焊料共晶溫度的狀況。在此情況下，焊料雖能熔化，但沒有足夠溫度擴散到芯片背金層，造成局部冷焊。優(yōu)化溫度曲線，充分預熱，可使熱容較大的管殼與芯片處于等溫狀態(tài)，提高焊接質量。   

粘接空洞失效原因及采取措施

焊料浸潤性差：浸潤性優(yōu)劣直接關乎焊料的流淌特性以及焊接強度。浸潤性能良好時，可有效減少空洞，增強焊接強度。我們選用的鉛銦銀焊料屬于軟焊料，能輕松與含金界面結合，且使接面具備更強的延展性與出色的耐疲勞壽命。依據(jù)實際需求，焊料面積設定為芯片面積的 90%，厚度保持在 50um。當焊料浸潤性欠佳時，一方面意味著焊料與芯片背面接觸面積較??；另一方面表明浸潤液體邊緣所受界面張力較大，阻礙了焊料的鋪展。此時，對芯片施加一定正壓力，在焊料熔化時能抗衡表面張力，增加焊料與芯片背面的接觸面積，提升浸潤性，擴大接面面積和接強度。

焊料表面氧化層：若焊料存放時長過久，其表面會生成過厚氧化層。倘若焊接過程中無人工干預，該氧化層極難去除，焊料熔化后形成的氧化膜在焊接后會產(chǎn)生空洞。為解決此問題，焊料需進行真空防氧化處理，并抽真空保存；運用等離子清洗技術對焊接表面進一步清洗，清除材料表面雜質，最大程度降低管殼、焊料、芯片的氧化程度；在真空環(huán)境下開展共晶焊接，可防止焊接時產(chǎn)生氧化物，同時若在焊接過程中充入甲酸氣體等還原性氣體，還能還原焊料中已形成的氧化膜，進而減少空洞，提高焊接質量。

焊接表面顆粒及粘污：在焊接期間，若使用的管殼不潔凈，或者芯片背面遭受污染，會致使焊接時焊料無法充分擴散，產(chǎn)生空洞，影響焊接成效。所以，管殼、芯片、片在焊接前需嚴格處理，去除材料在加工和傳遞過程中沾染的污染物。采用超聲和等離子清洗，能夠有效去除材料表面的顆粒、有機粘污和離子沾污。

焊接時氣泡未排出：焊接時，焊接區(qū)周圍的氣體以及焊接材料釋放出的氣體，在焊接后容易形成空洞。通過優(yōu)化燒結工藝曲線，在焊料充分熔化浸潤后，增加抽真空排氣環(huán)節(jié)，盡可能排出氣泡，減少空洞產(chǎn)生。

內(nèi)部氣氛不合格原因及采取措施

封裝材料釋放：在對有害氣氛來源深入剖析后，針對性地擬定解決辦法。對管殼實施預烘烤操作，能夠有效減少腔體內(nèi)氫氣含量；利用等離子清洗技術處理焊片表面，去除焊片表面的碳酸鉛及其他氧化物，從而進一步降低內(nèi)部二氧化碳含量。

半成品電路吸附水汽：因水分子具有親和力，水汽極易在管殼腔體或芯片表面吸附，進而形成一層水分子膜。特別是封裝管殼的內(nèi)表面較為粗糙，存在凹凸不平的情況，凹陷處對水分子的吸附力遠超過平面處，所以在表面凹陷處水分子容易聚集。為解決管殼和芯片表面吸附的水汽問題，電路在封蓋前需進行預烘焙等高溫烘烤，以此去除表面吸附的水汽。

 封蓋工藝氣體含雜質：為嚴格把控水汽含量，要求在封裝過程中，在高純氮氣的氣氛下進行封蓋，以此解決因環(huán)境因素導致的水汽含量超標問題，即封裝氣氛采用高純氮氣。同時，還需依據(jù)設備特性設置適宜的氮氣流量，維持管道內(nèi)的正壓力。

焊接空洞

焊接空洞的標準：焊接空洞具體是指，在焊料與母材相互接觸的界面位置，存在未能被焊料充分浸潤的空隙；或者在焊料自身內(nèi)部，出現(xiàn)了空洞情形。導致空洞缺陷產(chǎn)生的原因是多維度的，主要涵蓋殘留氣體、材料表面的氧化狀況、表面是否受到污染、焊劑殘渣留存，以及母材表面的粗糙程度等因素。

空洞率是空洞面積與芯片面積的比值。在焊接質量檢驗環(huán)節(jié)中，檢測焊接空洞率是一項關鍵任務。當前，常用的空洞率檢測方法主要是 X 射線照相檢查方式，也有部分情況會采用超聲檢測技術來觀察空洞情況。一般來說，在高可靠性要求的電路里，通常規(guī)定芯片空洞率需小于 50%；而對于航天專項工程所涉及的電子元器件，其標準要求更為嚴格，空洞率必須小于 25%。圖 1 展示的便是焊接空洞通過 X 射線照相觀察所得到的結果。

圖1：焊接空洞的X射線照相觀察結果

 氧化對空洞的影響：部分研究人員選取了保存狀態(tài)良好的 IGBT 散熱底板以及已被氧化的散熱底板，開展焊接空洞率的對比實驗。在保持其他各項實驗條件均不變的情況下，通過對空洞進行超聲掃描檢測，結果顯示：當散熱底板發(fā)生氧化后，在使用 SnPbAg 焊料片進行焊接的樣品中，空洞率范圍從原本的 0.24% - 1.57% 增長至 0.78% - 6.64%；最大空洞面積占焊接區(qū)域的比例范圍，也從 0.04% - 0.33% 上升到 0.04% - 0.64% 。由此可見，焊接母材一旦發(fā)生氧化，會使焊接空洞率以及最大空洞面積范圍的上限數(shù)值大幅增加。

助焊劑選型與空洞：在集成電路封裝過程中，大多數(shù)焊料在使用時無需額外添加助焊劑，然而助劑在器件的表面貼裝工藝中應用廣泛。有研究人員選用 SAC305、Sn42Bi57Ag1、Sn63Pb37 這三種不同類型的焊料，用于焊接已被氧化的芯片，并選用專門為 SAC305 焊料研制開發(fā)的助焊劑來去除氧化層。圖 2 展示出助劑用量與焊接空洞之間的關聯(lián)，從中可清晰看到焊接后的空洞率測量數(shù)值。從圖 2 中可知，針對 SAC305 開發(fā)的助焊劑，隨著其用量的逐步增加，對于降低高溫焊料產(chǎn)生的空洞問題有顯著幫助；但對于低溫焊料而言，卻產(chǎn)生了相反效果。所以，只有選用與焊料相匹配的助焊劑，才能切實有效地減少空洞的產(chǎn)生。

圖2：助焊劑用量對焊接空洞的影響

焊接工藝與空洞率：圖3呈現(xiàn)的是焊接空洞隨焊接方式和芯片尺寸的變化趨勢。從中能夠清晰地觀察到 Au - Si 共晶摩擦焊、Au - Sn 焊料真空燒結以及 Au - Sn 焊料保護氣氛下靜壓燒結這三種焊接方式，對空洞率產(chǎn)生的影響。同時，還可以了解到芯片焊接面積增大后，焊接層中空洞率以及單個最大空洞尺寸的變化走向。

    研究結果表明，對這三種焊接方式進行比較，空洞率由低到高依次為：Au - Si 共晶摩擦焊＜Au - Sn 真空燒結＜Au - Sn 保護氣氛靜壓燒結，其中共晶摩擦焊接的空洞率最低。值得注意的是，對于不同尺寸的芯片，這三種工藝方案均呈現(xiàn)出相同的趨勢。此外，隨著芯片面積的增大，單個最大空洞的面積也呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢。

圖3：焊接空洞隨焊接方式和芯片尺寸的變化趨勢

 真空度與焊接空洞：真空度和保護氣氛是影響共晶焊接質量的關鍵因素。有研究人員針對燒結過程中抽真空的真空度對焊接空洞的影響展開了專項研究。圖4展示了真空度與焊接空洞率的關系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著真空度的升高，共晶焊的空洞面積呈遞減趨勢，當真空度達到 1Pa 時，其空洞面積接近最小，之后隨著真空度繼續(xù)升高，空洞面積趨于平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)試驗確定，共晶焊接的真空度至少要達到 1Pa。

圖4：真空度與空洞率的關系

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