轉自半導體封裝工程師之家

馬艷艷、趙鶴然、田愛民康敏、李莉瑩、曹麗華

摘要：

高可靠集成電路多采用 AuSn20 焊料完成密封，在熔焊過程中焊縫區域往往產生密封空洞，這對電路的氣密性和蓋板焊接強度產生影響，從而造成可靠性隱患。介紹了 AuSn20 焊料密封陶瓷外殼的過程，闡述了兩種從不同方向制樣和觀察密封空洞的方法，列舉了環狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞，并闡述了這幾種空洞的微觀形貌、形成機理及抑制措施。

1 引言

AuSn20 是一種常見的無鉛焊料，常用于集成電路的芯片粘結和陶瓷外殼密封。當 Au 和 Sn 的質量分數分別為 80%和 20%時，在 278 ℃的較低溫度下即可完成共晶反應，也不需要助焊劑。這種焊料導熱率和剪切強度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料，又以其較高的穩定性、耐腐蝕性和潤濕性，在高可靠的氣密封裝中應用廣泛。

空洞是一種較為常見的密封質量隱患，它的存在會使產品的封蓋強度和氣密性降低，隨著服役時間的延長，極易誘發多種致命的失效模式。高可靠器件對密封空洞控制有嚴格要求。AuSn 密封過程復雜且伴隨著空洞的生成和消散，在反應的不同階段空洞產生的機理并不唯一。空洞形成的影響因素有多種，包括溫度曲線、焊接壓力、原材料表面狀態、焊料環設計、焊接氣氛等。此外，柯肯達爾效應是化合物間形成空洞的一個重要原因。

針對空洞的形成問題，文章闡述了 AuSn20 焊料在高可靠陶瓷外殼密封過程中的反應過程，開展了空洞的形貌觀察，討論了幾種典型空洞的微觀形貌、形成機理及抑制措施。

2 AuSn20 焊料密封反應過程

AuSn20 焊料密封反應過程發生在蓋板（可伐合金）、AuSn20 焊料環、陶瓷管殼之間，其結構示意圖如圖 1 所示。

AuSn20 焊料工藝曲線包括升溫 AB、保溫 BC、升溫 CD、保溫 DE、降溫 EF 5 個階段，如圖 2 所示。由于AuSn20 焊料與管殼、蓋板及其鍍層之間有良好的潤濕性，一般不易出現由不潤濕導致的空洞。同時，在升溫和保溫階段，管殼、蓋板鍍層會向熔融焊料中熔解、擴散。在降溫階段，焊料從熔融狀態共晶成為固態，密封空洞也在這個階段最終形成。

3 空洞觀察方法

AuSn20 焊料環本身的厚度只有 50 μm，焊縫內空洞的尺寸更小，一般在幾個微米的量級。一般采用 X射線照相的方式，從宏觀上整體觀察焊料環區域，給出總體空洞率或單個空洞尺寸占焊縫設計寬度的百分比。此外，也可以采用超聲掃描的方法去探測密封區域的空洞。

若需要更為直觀地觀察空洞，則必須對樣品進行破壞性物理分析。可以對待觀察樣品先鑲嵌成規則樣塊，然后用研磨機研磨，到達目標區域后再剖光，然后進行 SEM 觀察，為了增強觀察效果，還可以腐蝕、噴金等等。

圖 3 為樣品研磨位置和觀察截面的示意圖。可以解剖到研磨位置 1，從觀察方向 1 來觀察焊縫的端面，得到由焊料環內部到外部的截面圖；也可以解剖到研磨位置 2，從觀察方向 2 觀察焊縫的整個側面區域。

圖 4 給出了從研磨位置 1 觀察到的焊縫端面微觀結構。從圖中可以看出，大量空洞彌散在焊縫內，未呈現集聚狀態，較大的空洞長度在 60 μm 左右，較小的空洞不足 5 μm。空洞均位于焊縫中間區域，在焊縫與母材界面處未發現由潤濕不良引起的空洞。

圖 5 給出了另一只電路樣品從研磨位置 2 觀察到的焊縫側面微觀結構。從圖中可以看出，該電路封蓋焊接過程中控制較好，焊縫中未見明顯空洞，焊縫的高度約 35 μm，與焊料環的初始高度 50 μm 相比略有下降。

4 幾種典型空洞

4.1 環狀空洞 

在采用 AuSn20 焊料環封蓋的樣品 X 射線照相圖片上可以發現幾種密封空洞，其中最典型的是環狀空洞，如圖 6 所示。這類空洞并非是單個的，而是非常均勻地出現在焊料環的四周，分布在位于焊料環內側、離焊料環內側邊緣有一段距離的區域，多個空洞連接成線，構成環狀。

因為焊料凝固和空洞形成的過程不易直觀觀察到，目前尚沒有人確切地指出環狀空洞的形成機理。很可能是由于焊料在降溫階段存在溫度梯度，環境溫度先于內腔氮氣降低到共晶點以下，此時焊料 a 端先結晶凝固，如圖 7 所示。隨著溫度的繼續降低，內腔氮氣壓強逐步下降，焊料與蓋板之間的潤濕平衡被打破，對焊料 b 端產生進一步向內的趨勢，直至溫度也達到共晶點。在爭奪當中，空洞在 c 處長大。同時，焊料環寬度與焊縫寬度差距較大，導致密封過程中焊料量不足，難以鋪滿密封區，這也是形成空洞的原因。

一些機構嘗試增加焊料用量，可以起到減弱環狀空洞的效果，或在密封區域不變的前提下減小焊縫寬度，可以大幅降低空洞率，不過這樣也容易導致焊料爬蓋，或因焊料過多而引發顆粒噪聲問題。也有機構嘗試增加焊接壓力，這對抑制空洞的形成很有效，但同時也會引起焊料內溢，為顆粒噪聲埋下隱患。

消除環狀空洞是一個系統性工程，需要做好蓋板、焊料環比例、結構設計，并采用適當的焊接壓力。首先，在不引起顆粒噪聲的前提下，應盡量設計更多的焊料，可以按照等體積法來計算：熔化后厚度 30μm，熔化后鋪滿密封區，熔化前焊料環厚度 50 μm，推導出理想的焊料環寬度。進一步，考慮到環狀空洞出現的位置總是在靠近內腔的區域，因此應該將焊料環設計在密封區偏內側的位置，從而有針對性地對內側提供充足的焊料。對于常見的陶瓷外殼，壓力在 3~5 N 為優選。壓力過小導致縫隙大，焊料熔融后填隙能力差；壓力過大又會導致蓋板變形等問題，引發扇形空洞。

4.2 扇形空洞

另一種比較典型的空洞是扇形空洞，這類空洞多出現在焊料環的轉角處，如圖 8 所示。

扇形空洞在大尺寸電路中較為常見，其形成原因主要是：在施加封蓋壓力時，夾具往往作用在蓋板中心區域，其下方正是管殼的空腔，這會導致蓋板發生輕微變形。大尺寸電路封蓋時所需施加的焊接壓力也較大，其變形程度也較大，這使得蓋板在轉角處翹曲，導致 4 個轉角處蓋板與管殼之間的距離要比 4 個邊及中間區域大。這導致焊接壓力在焊料上的不均勻分布，如圖 9（a）所示。在焊接壓力不足的情況下，轉角處焊料流速降低，呈現縱向堆積，如圖 9（b）所示。這樣一來，填滿同樣大小的面積轉角處就需要更多的焊料量。但轉角區域的焊料是有限的，焊料缺少的部分就形成了大量空洞。另一種形成扇形空洞的原因是原材料造成的密封壓力不均勻，早期的陶瓷外殼制備工藝不成熟，金屬化密封區的狀態差，表現為陶瓷基體的平面度較差，這樣即使提供了相對均勻的密封壓力，作用在平面度較差的密封區后也會形成焊接壓力不均勻的狀況，導致扇形空洞。

解決這類空洞的主要方法是避免蓋板發生翹曲。有的機構采用倒封方式完成密封，將蓋板放置在載物臺上，管殼在蓋板上，再在管殼背面放置重塊等物體，施加密封壓力，這樣可以避免蓋板形變。

此外，在密封過程中，給蓋板增加不易形變的墊片也是一個好方法。這樣，密封壓力首先作用在墊片上，再通過墊片均勻施加在蓋板上，避免壓力過大而不均勻導致的蓋板變形。此外，早些年有研究表明，陶瓷外殼金屬化密封區的狀態也很重要，如果做金屬環扇形空洞就不會出現。同時，若原材料金屬化密封區的狀態差，可以在密封區加裝平面度較高的金屬環。

4.3 氣泡狀空洞

圖 10 給出了一種大量彌散在焊縫區域中的空洞。這類空洞由眾多小的空洞組成，這些空洞在焊料環外邊緣處開始滋生，并向內側蔓延。對焊縫進行剖面觀察，結果如圖 11 所示，從圖中可以看出，大量大小不一的氣泡狀空洞彌散在焊縫中，焊縫的高度甚至高于焊料環的初始厚度，并且蓋板鍍鎳層與焊縫之間的界面變得不確定。

氣泡狀空洞的形成機理主要是密封溫度過高，焊料熔融時間過長。在保持其他條件不變的情況下，將密封峰值溫度從 310 ℃逐步增加，可以觀察到氣泡狀空洞帶的變化趨勢。起初只能在靠近密封區外側邊緣位置找到個別微小的氣泡狀空洞；隨著峰值溫度增加到 330 ℃，氣泡狀空洞沿著密封區外側邊緣位置開始聚集；當峰值溫度繼續增加，氣泡狀空洞帶的寬度開始向內蔓延，直至鋪滿整個密封區。適當降低密封溫度可以減少氣泡狀空洞，降低焊縫高度。

此外，在外殼制作工藝中，如果沒有特別提出排氫要求，在密封時易轉化為焊縫中的空洞。這是因為在高溫密封過程中，本體和鍍層有氣體釋放出來或者污染物裂解形成氣泡。主要應對措施是在密封前預先高溫烘焙原材料以排除不良因素。

5 結論

文章介紹了 AuSn20 密封陶瓷外殼的過程中觀察密封空洞的方法，列舉了環狀空洞、扇形空洞、氣泡狀空洞等幾種典型空洞。

消除環狀空洞的關鍵在于做好蓋板、焊料環比例、結構設計，從而對焊料環內側充分補充焊料，避免空洞。扇形空洞的成因主要是焊料環轉角處受壓力不足，應盡量避免蓋板翹曲，從而使密封壓力均勻施加在蓋板、焊料環上。氣泡狀空洞形成的主要因素是密封峰值溫度，在保證氣密性的前提下采用較低的密封峰值溫度是一個良好的選擇。

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