一文了解下一代微電子封裝的氣密封裝技術(shù)

一個(gè)完美密封的電子封裝器件可在數(shù)十年內(nèi)持續(xù)發(fā)揮預(yù)定功能，不出現(xiàn)性能中斷、錯(cuò)誤或顯著下降。然而，設(shè)計(jì)與現(xiàn)場工程師需采用正確的材料、密封劑、工具設(shè)備及工藝步驟，才能為新一代半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)型電子封裝實(shí)現(xiàn)這種高性能水平。優(yōu)質(zhì)密封封裝所帶來的信心，終將推動(dòng)開發(fā)出功能更強(qiáng)大的芯片。（更多電子陶瓷精彩內(nèi)容敬請(qǐng)關(guān)注7月3日艾邦第四屆多層陶瓷（LTCC/HTCC/MLCC）產(chǎn)業(yè)論壇）

氣密封裝是半導(dǎo)體芯片封裝的關(guān)鍵工藝。此處的"氣密"指完全防泄漏的密封。半導(dǎo)體芯片經(jīng)歷晶圓切割成獨(dú)立芯片，最終裝入分立式封裝的多道工序。這些芯片通過貼裝環(huán)氧樹脂或共晶焊料牢固固定在焊盤上，再通過極細(xì)導(dǎo)線與陶瓷封裝焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接。

陶瓷封裝——實(shí)質(zhì)是"芯片載體"——通常為多層結(jié)構(gòu)，陶瓷體內(nèi)含電氣穿通孔。這些層內(nèi)連接至封裝底部或側(cè)邊，以便與其他電氣元件共同安裝到印刷電路板上?？捎玫男酒庋b類型包括帶引線芯片載體(LCC)、陶瓷四邊扁平封裝(CQFP)、四邊扁平封裝(QFP)等多種。

▲?陶瓷封裝通過平行電極縫焊熔融封蓋實(shí)現(xiàn)密封

▲帶密封環(huán)、鍵合絲與芯片焊盤的陶瓷封裝

▲?貼裝芯片的陶瓷封裝

▲?含密封環(huán)尺寸的陶瓷封裝

內(nèi)含芯片和鍵合絲的陶瓷封裝必須進(jìn)行氣密性密封，以防止?jié)駳饣蛩缮㈩w粒等污染物侵入。氣密封裝工藝直接決定了組裝器件的運(yùn)行可靠性。下圖展示了半導(dǎo)體芯片及其數(shù)百根超細(xì)鍵合絲（直徑最小達(dá)0.0007英寸/17.78微米），芯片尺寸從數(shù)毫米到數(shù)十毫米不等，鍵合絲數(shù)量隨芯片尺寸增加而增多。

▲?封裝蓋板與焊料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

▲?金錫相圖

▲陶瓷封裝、焊料框架與鍍金屬蓋板的分解視圖

分立芯片中的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)含有肉眼不可見的超精密齒輪、鐘表機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器。任何沉積顆粒都可能干擾其性能。同樣，高密度鍵合絲之間若存在導(dǎo)電顆粒或濕氣，也將導(dǎo)致故障。這進(jìn)一步凸顯了封裝組件氣密性的重要性。

在聚焦密封工藝前，需了解材料特性、局限性、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、存儲(chǔ)及處理流程。

▲?鎳金四層順序電鍍截面圖

例如，陶瓷封裝類型有以下幾種：

• 表面貼裝陶瓷封裝

• 陶瓷針柵陣列封裝

• 陶瓷四邊扁平封裝

• 陶瓷混合封裝

• 光纖通信封裝

• 粘接材料或焊料

• 待封裝元件：芯片、貼裝材料、鍵合絲等 

根據(jù)氣密性要求等級(jí)，封裝采用一種或兩種密封工藝：金屬蓋板縫焊或鍍金屬蓋板釬焊。

▲鎳遷移過程示意圖

▲?框架蓋板組裝結(jié)構(gòu)

▲四角點(diǎn)焊位置示意

金屬蓋板縫焊

該可靠工藝通過一對(duì)圓形電極沿蓋板邊緣移動(dòng)，熔化并熔合至封裝密封環(huán)區(qū)域。適用場景包括：

• 半導(dǎo)體芯片不耐受高熱（縫焊提供局部邊緣加熱）
• 用戶無回流焊爐設(shè)備

• 射頻應(yīng)用（RF封裝）且氣密性要求較低

鍍金屬蓋板釬焊

此工藝同樣可實(shí)現(xiàn)高可靠性氣密封裝，并通過多道密封后測試驗(yàn)證有效性。

所有封裝類型均涉及芯片焊盤、鍵合焊盤和密封環(huán)等通用要素。圖3展示了陶瓷封裝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。

▲?帶式爐氣密封裝關(guān)鍵參數(shù)控制與建議

芯片貼裝焊盤

半導(dǎo)體芯片通過共晶焊料合金或環(huán)氧樹脂固定于此區(qū)域。環(huán)氧貼裝膠通常含樹脂和固化劑，需充分混合后涂覆于焊盤。芯片加壓貼裝以啟動(dòng)潤濕并排除粘接材料中殘留氣體，隨后高溫固化。此過程需精準(zhǔn)控制，防止變形。

88Au12Ge和80Au20Sn可作為共晶焊接材料，熔點(diǎn)分別為361°C和280°C（實(shí)際設(shè)定溫度需考慮工裝的熱損耗）。二者均為純合金，不含粘合劑。

材料選擇需考慮芯片與接觸材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)，并嚴(yán)格界定熔融與固化溫度條件。

▲?真空爐內(nèi)腔示意圖

芯片貼裝后密封條件

需驗(yàn)證焊接可靠性并排除殘留氣體。供應(yīng)商應(yīng)提供除有機(jī)物/粘合劑的固化指導(dǎo)。否則釬焊過程中可能釋放氫飽和烴或濕氣，殘留氣體會(huì)損害器件電氣性能與壽命。

實(shí)現(xiàn)無空隙粘接需精密控制貼裝工藝。后密封驗(yàn)證成本高且結(jié)果易失真，必須嚴(yán)格管理存儲(chǔ)條件、有效期、混合比例、使用時(shí)長及單班用量，并防范環(huán)境濕氣侵入。

▲?金錫回流曲線

高效氣密封裝分步指南，成功密封取決于以下要素：

• 封裝密封環(huán)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
• 密封劑與蓋板材料選擇
• 密封方法與工藝控制
• 氣密封裝后測試與故障排除
• 新一代封裝材料選擇
• 密封環(huán)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 

封裝體密封環(huán)設(shè)計(jì)指南:

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮氣密封裝蓋板 及其焊料的尺寸。外密封環(huán)、金屬蓋板 (metal lid) 和金錫焊料框架 是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。

蓋板尺寸： 若封裝體密封環(huán)的外部長寬為 0.500 英寸見方，則蓋板尺寸應(yīng)為 0.500 英寸 - 0.010 英寸 - 0.010 英寸 = 0.480 英寸見方。

金錫焊料內(nèi)尺寸： 接下來需確定金錫焊料的內(nèi)部尺寸。為此，必須同時(shí)考慮密封環(huán)的內(nèi)、外尺寸。若密封環(huán)內(nèi)部尺寸為 0.400 英寸見方，則金錫焊料的內(nèi)部尺寸應(yīng)為 0.400 英寸 + 0.010 英寸 + 0.010 英寸 = 0.420 英寸見方。

內(nèi)外半徑對(duì)于整體設(shè)計(jì)、焊料厚度 和蓋板厚度也是設(shè)計(jì)要點(diǎn)， 0.010 英寸間隙取決于密封環(huán)區(qū)域的可用空間 ，對(duì)于外部間隙 (outer gap)，此值可低至 0.002 英寸。若密封環(huán)本身較窄，內(nèi)部密封環(huán)區(qū)域的間隙值也可接近此低值 (0.002 英寸)。

▲?左圖：施加壓力后的組裝。右圖：采用焊錫圓角進(jìn)行后密封。

密封劑材料選擇

適用于防漏氣密接頭的焊料合金和共晶焊料有多種選擇。金錫合金（Au80Sn20）被證明在金屬蓋板與陶瓷/金屬封裝體的鍵合中表現(xiàn)尤為出色。該合金熔點(diǎn)為280°C，在溫度循環(huán)測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。

表中提到，這種80%金/20%錫焊料的生產(chǎn)過程中必須確保高純度，以及成分比例在其標(biāo)稱重量百分比范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)良好的連接性能。

• 金錫純度：降低導(dǎo)熱性。

• 金錫污染：氧化物、有機(jī)物。

• 金錫界面接觸面積。 

蓋板材料選擇

金屬封蓋通常使用由鐵、鎳和鈷組成的合金，亦稱為ASTM F-15材料。為了讓金錫焊料與封裝良好連接，封蓋必須經(jīng)過妥善處理。如果封蓋鐵（Fe）含量超過50%，則可能隨著時(shí)間氧化。裸露封蓋無法實(shí)現(xiàn)金錫焊料潤濕，因此可靠的金鍍層顯得至關(guān)重要。

封蓋通過電鍍方式先鍍100到350微英寸厚的鎳層，隨后鍍約50微英寸厚的金層。針對(duì)高可靠性應(yīng)用，會(huì)額外鍍更多的鎳和金，但總鎳層厚度不得超過450微英寸，金鍍層的厚度至少需達(dá)到50微英寸。這種設(shè)計(jì)旨在避免邊緣形成過厚的堆積，以確保氣密焊接質(zhì)量。

鍍層的有效性

電鍍過程極其關(guān)鍵。例如應(yīng)避免鍍層邊緣的堆積。同時(shí)必須維護(hù)電鍍?nèi)芤汉突瘜W(xué)成分的穩(wěn)定性。需要指出的是，這種鍍層并非為了美觀，而是專門為高質(zhì)量的氣密封裝設(shè)計(jì)的，同時(shí)需要良好的焊接性。電鍍維護(hù)不善可能導(dǎo)致氣體被困在鍍層中。

后電鍍測試可用于驗(yàn)證鍍層質(zhì)量，特別是測定鍍層中氫含量。為了預(yù)防問題，應(yīng)定期進(jìn)行電鍍槽維護(hù)和鍍液的化學(xué)成分檢測。完成電鍍后，通常也會(huì)進(jìn)行最后階段低溫退火處理（溫度在120℃到150℃之間，持續(xù)8至12小時(shí)）。

注意，長期高溫退火可能導(dǎo)致鎳層向金層遷移，從而干擾焊錫的潤濕性。金錫合金焊料無法與鎳潤濕。如果鍍層過薄或表面孔隙率較高，則更容易導(dǎo)致鎳遷移現(xiàn)象。

密封方法與工藝控制

定位焊或點(diǎn)焊：在最終密封之前，必須通過定位焊或點(diǎn)焊將金錫合金焊料固定到鍍有鎳金的蓋子上。這對(duì)于避免錯(cuò)位和其他可能影響氣密封裝質(zhì)量的缺陷至關(guān)重要。同時(shí)，這種工藝也為用戶帶來便利，使其可以首先將框架和封蓋作為一個(gè)組件進(jìn)行組裝，再進(jìn)入最后密封步驟。定位焊需要將少量的金錫共晶焊料熔化并固定在蓋子的四個(gè)角上。

回流設(shè)備和工藝控制：在封裝之前，必須選擇合適的回流焊設(shè)備。金錫合金或其他焊料的氣密密封需要在惰性環(huán)境中進(jìn)行，否則氧化可能影響密封的完整性。如果使用帶式爐（belt furnace），必須對(duì)維護(hù)和密封曲線進(jìn)行良好監(jiān)控?；亓鳡t內(nèi)的氧氣含量需實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。選擇真空回流爐可進(jìn)一步去除不必要的氣體。無論選擇何種設(shè)備，其性能最終將決定氣密封裝的質(zhì)量。

金錫合金密封曲線：以下是金錫合金密封曲線的關(guān)鍵考慮點(diǎn)：

升溫速率：升溫速率應(yīng)逐步且緩慢，以促進(jìn)釋放組件內(nèi)部的氣體，同時(shí)避免鎳的遷移?？焖偕郎乜赡軐?dǎo)致鍍層多孔部分的鎳遷移。在真空爐中，可以排空所有逸出的氣體，而在帶式爐中可以通過充入氮?dú)庖种祁愃频膯栴}。

峰值溫度：金錫焊料的熔點(diǎn)溫度為280℃。密封組件及其工裝夾具可能會(huì)吸收部分熱量。如果焊料及蓋子溫度達(dá)到峰值，目標(biāo)包括：徹底移除氣體、焊料完全流動(dòng)、形成焊料圓角接縫、消除針孔或空隙。暴露峰值溫度的時(shí)間需根據(jù)產(chǎn)品尺寸、裝配工具和工藝情況而定。在關(guān)鍵工藝未完成時(shí)減少暴露時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)故障模式，這可以通過目視檢查、漏氣測試或X射線檢測觀察到。

降溫過程：降溫過程必須逐步進(jìn)行，突然冷卻或從爐內(nèi)移除產(chǎn)品可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

適當(dāng)?shù)膲毫Γ?/span>為了確保金錫合金形成良好的氣密連接，需要施加足夠的壓力進(jìn)行密封。通常約需0.5至4千克力的壓力。在所有工藝中，壓力從蓋子傳遞到金錫密封環(huán)，尤其在高溫階段推動(dòng)蓋子并擠壓熔化的焊料形成圓角封邊非常重要。

封裝夾具

封裝夾具類型多樣，且可根據(jù)封裝類型和生產(chǎn)量定制。對(duì)齊夾具的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵，尤其是面對(duì)提升生產(chǎn)量的需求時(shí)。

后密封可靠性測試用于驗(yàn)證工藝和材料選擇的有效性。這些測試按多個(gè)等級(jí)逐一進(jìn)行。所有測試的詳細(xì)信息可參見標(biāo)準(zhǔn)MIL-883指南。

下一代封裝材料選項(xiàng)。這些測試的目的是驗(yàn)證氣密封裝的成功性。同樣，一個(gè)有效的封裝過程可以顯著延長封裝的使用壽命，尤其是在嚴(yán)酷環(huán)境中無法進(jìn)行更換或維修的應(yīng)用場景（如衛(wèi)星或航天器上的板級(jí)模塊）。

適用于下一代氣密封裝的多種新材料和工藝正在涌現(xiàn)。例如，用于光學(xué)通信的透明封蓋；用于電磁干擾噪聲控制的非磁性封蓋；以及用于捕集封裝內(nèi)部釋放的氫氣的吸氫封蓋。這些創(chuàng)新的封裝技術(shù)和材料為提升可靠性提供了更多選擇。

文章內(nèi)容來源：《電力電子世界》2024 年第 1 期

原文鏈接：https://powerelectronicsworld.net/magazine/560

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