轉自李良海，仝良玉，葛秋玲

（無錫中微高科電子有限公司）

摘要：

共晶焊接裝片以其穩定可靠的性能在微電子封裝領域得到了越來越廣泛的應用。在焊接過程中，由于界面氧化、沾污等原因產生的焊接層空洞對芯片的散熱有較大的影響。研究了影響空洞率大小的因素，并采用有限元方法仿真分析了不同空洞對熱阻的影響。根據仿真結果可以看出：空洞率在小于10%時，結殼熱阻隨著空洞率的增大沒有顯著的變化；當空洞率大于10%時，結殼熱阻隨著空洞率的增大而線性增加；當空洞率相同時，連續空洞的熱阻幾乎是分散空洞的熱阻的兩倍。實驗結果表明利用等離子清洗機對焊接界面清洗能有效地降低焊接空洞率，芯片表面要有適當的壓力來控制空洞率和焊接層厚度。

1 引言

隨著集成電路的系統化、微型化、高速化、大密度、大功率的發展，元器件內部的熱流密度不斷增加，研究顯示電子元器件約55%的失效主要是由于過熱及與熱相關的問題造成的，因此，芯片有一個好的散熱通道顯得尤為重要。芯片組裝作為微電子元器件封裝的重要環節，對提供散熱通道有重要的作用，而熱傳導介質主要取決于粘接材料導熱特性以及粘接材料和基板、粘接材料和芯片的焊接狀態。應用在微電子封裝的粘接材料主要有金屬共晶和高分子膠等，金錫合金（Au80Sn20）作為一種具有焊接強度高、可靠性好、導電和導熱性好等優點的焊接材料，在微電子封裝中得到了廣泛的應用。但在實際應用過程中，由于焊接表面沾污、氧化等原因產生焊接層空洞，這些空洞對芯片的散熱都有較大影響。因此，研究焊接形成空洞的原因、降低空洞率（空洞總面積占芯片面積的百分比）的方法以及焊接空洞對熱阻的影響對集成電路封裝可靠性分析有很大意義。章蕾等人通過有限元方法對空洞、焊層厚度等對器件封裝溫度影響和可靠性進行了研究。已有的研究主要集中在空洞的大小對熱阻的影響，本文首先采用有限元方法仿真分析了焊接層空洞率、不同空洞分布形式對器件熱阻的影響，進一步研究了Au80wt%Sn20wt%共晶在芯片焊接過程中形成空洞的原因以及減小焊接空洞的方法。

2 有限元分析焊接層空洞對熱阻的影響

半導體封裝器件的散熱能力一般采用熱阻來衡量，結-殼熱阻（Rjc）體現了器件自身的散熱能力，其定義為：

Tj為穩態時芯片的結溫；Tc為器件外殼某參考點溫度，對于陶瓷封裝，一般指陶瓷基板外表面的最高溫度；P為芯片功耗。本文將采用有限元仿真方法，對比分析焊接層不同的空洞率及不同的空洞分布形式對陶瓷封裝器件熱阻的影響。

 2.1 仿真模型與材料特性參數

仿真針對一種CQFP144類型封裝產品進行。在進行Rjc分析時，主要考慮芯片到陶瓷基板這一主散熱路徑，因此在建模中省略了CQFP144引線，模型主要包括芯片、陶瓷外殼、AuSn焊接層、芯腔W/Ni/Au鍍層、蓋板；芯片與芯腔鍍層通過AuSn焊接層連接，同時忽略了各界面的接觸熱阻。由于模型的對稱性，采用1/4模型進行仿真分析，如圖1所示。

為研究焊接層空洞的大小及比例對器件熱阻的影響，分別建立同種空洞率時空洞連續分布在焊接層中心位置和焊接層空洞離散分布兩種模型，如圖2所示，空洞面積從10%增加到50%，仿真中均采用1/4模型。

仿真中涉及的材料導熱系數如表1所示，由于芯片的導熱系數受溫度影響很大，仿真中芯片的導熱系數隨溫度而變化。 

2.2 仿真邊界條件

仿真中將芯片上表面作為發熱面，但即使是熱測試芯片其有效發熱面積也不可能達到100%，仿真中將芯片上表面80%的面積作為有效發熱面積。仿真采用第一類邊界條件模擬測試時的冷卻效果（外殼溫度Tc=60 ℃，外殼其余外表面做絕熱處理）。由于仿真中忽略了接觸熱阻的影響，器件的散熱效果要優于實際測試情況，仿真中采用增大芯片功耗的方法，以保證芯片溫升大于20 ℃，最終芯片的功耗定為10 W。

2.3 仿真結果及分析

圖3所示為焊接層無空洞的情況下器件的溫度分布，由圖可知此時芯片最高溫度出現在芯片中心位置，最高溫度87.5 ℃；芯片功耗10 W，根據式（1）可以得到Rjc為2.75 ℃·W-1。表2為不同的空洞分布及空洞率不同時Rjc的仿真結果比較。由表可知，當空洞在焊接層中心位置連續分布時，Rjc隨空洞率的增加其增長速度較快；空洞離散分布時，Rjc的增長速度相對較慢；相同空洞率時，連續空洞所造成的器件熱性能的降低要大于離散空洞分布。

圖4為50%空洞率、不同的空洞分布時芯片的溫度分布。由圖可以看出，隨著空洞向邊緣處偏移，芯片的最高溫度也向同一方向移動，而且Tjmax下降了約11 ℃。在實際應用中，芯片就可能在空洞的上方形成局部熱點，造成器件的失效。圖5為不同空洞分布及空洞率時Rjc的變化曲線，從中可以清楚地看出Rjc的變化情況。當為連續空洞時，空洞率在小于50%范圍內，熱阻隨著空洞率的增大呈線性增加。當空洞率增加到50%時，連續空洞對Rjc的影響高達49.5%；而離散空洞對Rjc的影響相對較小，約為8.7%。

由仿真結果可知，共晶焊接層空洞會造成器件熱性能的下降；當空洞連續分布且面積較大時，會造成器件散熱性能的急劇下降。因此，在芯片共晶焊組裝時，控制焊接層空洞率對保證器件的散熱性能有著重要意義，本文將進一步對共晶裝片工藝中的空洞控制方法進行研究。

3 共晶焊接層空洞控制研究

3.1 實驗原材料

本實驗用4只封裝形式為CQFP144的陶瓷外殼，分別為AS、BS、CS、DS；采用4只外形尺寸為7.9 mm×7.9 mm×0.05 mm的Au80Sn20共晶焊料（AB、BB、CB、DB）；采用尺寸為7.9 mm×7.9 mm×0.35 mm的芯片，以及其他相應的工裝夾具。由于此部分重點在于研究焊接層空洞控制，實驗芯片采用了普通硅片，無實際電路功能。

3.2 實驗過程

（1）將樣品B、C、D對應的陶瓷外殼和焊料分別在微波等離子清洗機內用N2（90）H2（10）氣體進行清洗還原20 min。

（2）分別將陶瓷外殼固定在共晶焊貼裝機臺，將焊料、芯片定位在外殼芯腔中間，并且用吸取工具（P&P）施加一定的壓力，外殼和焊料的具體對應條件如表3所示。

（3）在N2氣氛保護條件下，25~30 min升溫到250 ℃，恒溫3~5 min；然后在4~6 min將溫度升高到345 ℃，恒溫2~4 min；待溫度降至常溫（25 ℃），完成焊接，溫度-時間工藝曲線如圖6所示。

 3.3 結果測試

利用Phenix X-ray檢測儀檢測粘接層空洞。

3.4 實驗結果與討論

金錫共晶（Au80wt%Sn20wt%）以其優良的特性在微電子封裝中得到了廣泛的應用，其主要以金屬薄片的形式，通過共晶焊接的方式進行芯片和基板的焊接以及氣密性封裝中的蓋板和密封環的焊接。但在焊接過程中由于焊接面污染、氧化以及接觸不緊密等原因導致焊接層空洞的產生。

圖7所示為A、B、C、D四個樣品的X射線檢測圖。對于樣品A和B，由圖中可以看出，樣品A的焊接層空洞率呈現小而多，且分散不均勻，空洞的顏色較亮，空洞率約為5.7%。產生空洞的原因主要是基板表面氧化或者是外來沾污等因素導致熔化的焊料不能完全浸潤。樣品B焊接層顏色均勻，幾乎沒有空洞。BS經過等離子清洗后，基板表面NH等離子體進行微處理，將表面存在的有機物沾污、氧化物進行清除，同時增強基板表面的浸潤性能，使得熔化的焊料和基板能夠得到良好的浸潤，減少焊接空洞的產生。

對于BS、CS和DS經過等離子清洗之后進行共晶焊裝片，分別在芯片表面施加0.588 N、0.294 N和0.883 N的壓力，所得樣品如圖7（B、C、D）。由圖中可以看出，樣品C的焊接層有較多的小空洞，這是因為在焊接過程中，共晶焊料在熔化后芯片表面受壓力較小，不能完全將殘存在焊接面以及焊料本身受熱熔化釋放的氣體全部排出。對于樣品D，X射線圖片顯示焊接面在邊緣區域有空洞，主要是由于實驗過程中芯片表面受力不均勻導致空洞產生，但焊接層整體顏色較淡，主要由于壓力過大，導致焊料大量溢出，焊接層厚度變小，可能會使芯片應力增大，影響封裝的可靠性。

4 結論

本文利用熱仿真分析了空洞的大小和分散情況對封裝中結殼熱阻的影響，通過共晶焊裝片實驗研究了影響焊接空洞大小的因素以及降低空洞率的方法。熱仿真結果表明焊接層空洞越大則結殼熱阻越大，而實際的封裝工藝中將焊接層空洞率控制在10%以下，就能確保封裝的熱可靠性。當空洞率大于10%，空洞率相同時，分散空洞的熱阻比連續空洞的熱阻小約50%。焊接層空洞控制實驗結果表明微波等離子清洗焊接界面和在芯片的表面施加合適的壓力可以有效減少焊接層空洞的形成，降低器件熱阻。

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