AuSn共晶焊接层空洞对陶瓷封装热阻的影响

转自李良海，仝良玉，葛秋玲

（无锡中微高科电子有限公司）

摘要：

共晶焊接装片以其稳定可靠的性能在微电子封装领域得到了越来越广泛的应用。在焊接过程中，由于界面氧化、沾污等原因产生的焊接层空洞对芯片的散热有较大的影响。研究了影响空洞率大小的因素，并采用有限元方法仿真分析了不同空洞对热阻的影响。根据仿真结果可以看出：空洞率在小于10%时，结壳热阻随着空洞率的增大没有显著的变化；当空洞率大于10%时，结壳热阻随着空洞率的增大而线性增加；当空洞率相同时，连续空洞的热阻几乎是分散空洞的热阻的两倍。实验结果表明利用等离子清洗机对焊接界面清洗能有效地降低焊接空洞率，芯片表面要有适当的压力来控制空洞率和焊接层厚度。

1 引言

随着集成电路的系统化、微型化、高速化、大密度、大功率的发展，元器件内部的热流密度不断增加，研究显示电子元器件约55%的失效主要是由于过热及与热相关的问题造成的，因此，芯片有一个好的散热通道显得尤为重要。芯片组装作为微电子元器件封装的重要环节，对提供散热通道有重要的作用，而热传导介质主要取决于粘接材料导热特性以及粘接材料和基板、粘接材料和芯片的焊接状态。应用在微电子封装的粘接材料主要有金属共晶和高分子胶等，金锡合金（Au80Sn20）作为一种具有焊接强度高、可靠性好、导电和导热性好等优点的焊接材料，在微电子封装中得到了广泛的应用。但在实际应用过程中，由于焊接表面沾污、氧化等原因产生焊接层空洞，这些空洞对芯片的散热都有较大影响。因此，研究焊接形成空洞的原因、降低空洞率（空洞总面积占芯片面积的百分比）的方法以及焊接空洞对热阻的影响对集成电路封装可靠性分析有很大意义。章蕾等人通过有限元方法对空洞、焊层厚度等对器件封装温度影响和可靠性进行了研究。已有的研究主要集中在空洞的大小对热阻的影响，本文首先采用有限元方法仿真分析了焊接层空洞率、不同空洞分布形式对器件热阻的影响，进一步研究了Au80wt%Sn20wt%共晶在芯片焊接过程中形成空洞的原因以及减小焊接空洞的方法。

2 有限元分析焊接层空洞对热阻的影响

半导体封装器件的散热能力一般采用热阻来衡量，结-壳热阻（Rjc）体现了器件自身的散热能力，其定义为：

Tj为稳态时芯片的结温；Tc为器件外壳某参考点温度，对于陶瓷封装，一般指陶瓷基板外表面的最高温度；P为芯片功耗。本文将采用有限元仿真方法，对比分析焊接层不同的空洞率及不同的空洞分布形式对陶瓷封装器件热阻的影响。

 2.1 仿真模型与材料特性参数

仿真针对一种CQFP144类型封装产品进行。在进行Rjc分析时，主要考虑芯片到陶瓷基板这一主散热路径，因此在建模中省略了CQFP144引线，模型主要包括芯片、陶瓷外壳、AuSn焊接层、芯腔W/Ni/Au镀层、盖板；芯片与芯腔镀层通过AuSn焊接层连接，同时忽略了各界面的接触热阻。由于模型的对称性，采用1/4模型进行仿真分析，如图1所示。

为研究焊接层空洞的大小及比例对器件热阻的影响，分别建立同种空洞率时空洞连续分布在焊接层中心位置和焊接层空洞离散分布两种模型，如图2所示，空洞面积从10%增加到50%，仿真中均采用1/4模型。

仿真中涉及的材料导热系数如表1所示，由于芯片的导热系数受温度影响很大，仿真中芯片的导热系数随温度而变化。 

2.2 仿真边界条件

仿真中将芯片上表面作为发热面，但即使是热测试芯片其有效发热面积也不可能达到100%，仿真中将芯片上表面80%的面积作为有效发热面积。仿真采用第一类边界条件模拟测试时的冷却效果（外壳温度Tc=60 ℃，外壳其余外表面做绝热处理）。由于仿真中忽略了接触热阻的影响，器件的散热效果要优于实际测试情况，仿真中采用增大芯片功耗的方法，以保证芯片温升大于20 ℃，最终芯片的功耗定为10 W。

2.3 仿真结果及分析

图3所示为焊接层无空洞的情况下器件的温度分布，由图可知此时芯片最高温度出现在芯片中心位置，最高温度87.5 ℃；芯片功耗10 W，根据式（1）可以得到Rjc为2.75 ℃·W-1。表2为不同的空洞分布及空洞率不同时Rjc的仿真结果比较。由表可知，当空洞在焊接层中心位置连续分布时，Rjc随空洞率的增加其增长速度较快；空洞离散分布时，Rjc的增长速度相对较慢；相同空洞率时，连续空洞所造成的器件热性能的降低要大于离散空洞分布。

图4为50%空洞率、不同的空洞分布时芯片的温度分布。由图可以看出，随着空洞向边缘处偏移，芯片的最高温度也向同一方向移动，而且Tjmax下降了约11 ℃。在实际应用中，芯片就可能在空洞的上方形成局部热点，造成器件的失效。图5为不同空洞分布及空洞率时Rjc的变化曲线，从中可以清楚地看出Rjc的变化情况。当为连续空洞时，空洞率在小于50%范围内，热阻随着空洞率的增大呈线性增加。当空洞率增加到50%时，连续空洞对Rjc的影响高达49.5%；而离散空洞对Rjc的影响相对较小，约为8.7%。

由仿真结果可知，共晶焊接层空洞会造成器件热性能的下降；当空洞连续分布且面积较大时，会造成器件散热性能的急剧下降。因此，在芯片共晶焊组装时，控制焊接层空洞率对保证器件的散热性能有着重要意义，本文将进一步对共晶装片工艺中的空洞控制方法进行研究。

3 共晶焊接层空洞控制研究

3.1 实验原材料

本实验用4只封装形式为CQFP144的陶瓷外壳，分别为AS、BS、CS、DS；采用4只外形尺寸为7.9 mm×7.9 mm×0.05 mm的Au80Sn20共晶焊料（AB、BB、CB、DB）；采用尺寸为7.9 mm×7.9 mm×0.35 mm的芯片，以及其他相应的工装夹具。由于此部分重点在于研究焊接层空洞控制，实验芯片采用了普通硅片，无实际电路功能。

3.2 实验过程

（1）将样品B、C、D对应的陶瓷外壳和焊料分别在微波等离子清洗机内用N2（90）H2（10）气体进行清洗还原20 min。

（2）分别将陶瓷外壳固定在共晶焊贴装机台，将焊料、芯片定位在外壳芯腔中间，并且用吸取工具（P&P）施加一定的压力，外壳和焊料的具体对应条件如表3所示。

（3）在N2气氛保护条件下，25~30 min升温到250 ℃，恒温3~5 min；然后在4~6 min将温度升高到345 ℃，恒温2~4 min；待温度降至常温（25 ℃），完成焊接，温度-时间工艺曲线如图6所示。

 3.3 结果测试

利用Phenix X-ray检测仪检测粘接层空洞。

3.4 实验结果与讨论

金锡共晶（Au80wt%Sn20wt%）以其优良的特性在微电子封装中得到了广泛的应用，其主要以金属薄片的形式，通过共晶焊接的方式进行芯片和基板的焊接以及气密性封装中的盖板和密封环的焊接。但在焊接过程中由于焊接面污染、氧化以及接触不紧密等原因导致焊接层空洞的产生。

图7所示为A、B、C、D四个样品的X射线检测图。对于样品A和B，由图中可以看出，样品A的焊接层空洞率呈现小而多，且分散不均匀，空洞的颜色较亮，空洞率约为5.7%。产生空洞的原因主要是基板表面氧化或者是外来沾污等因素导致熔化的焊料不能完全浸润。样品B焊接层颜色均匀，几乎没有空洞。BS经过等离子清洗后，基板表面NH等离子体进行微处理，将表面存在的有机物沾污、氧化物进行清除，同时增强基板表面的浸润性能，使得熔化的焊料和基板能够得到良好的浸润，减少焊接空洞的产生。

对于BS、CS和DS经过等离子清洗之后进行共晶焊装片，分别在芯片表面施加0.588 N、0.294 N和0.883 N的压力，所得样品如图7（B、C、D）。由图中可以看出，样品C的焊接层有较多的小空洞，这是因为在焊接过程中，共晶焊料在熔化后芯片表面受压力较小，不能完全将残存在焊接面以及焊料本身受热熔化释放的气体全部排出。对于样品D，X射线图片显示焊接面在边缘区域有空洞，主要是由于实验过程中芯片表面受力不均匀导致空洞产生，但焊接层整体颜色较淡，主要由于压力过大，导致焊料大量溢出，焊接层厚度变小，可能会使芯片应力增大，影响封装的可靠性。

4 结论

本文利用热仿真分析了空洞的大小和分散情况对封装中结壳热阻的影响，通过共晶焊装片实验研究了影响焊接空洞大小的因素以及降低空洞率的方法。热仿真结果表明焊接层空洞越大则结壳热阻越大，而实际的封装工艺中将焊接层空洞率控制在10%以下，就能确保封装的热可靠性。当空洞率大于10%，空洞率相同时，分散空洞的热阻比连续空洞的热阻小约50%。焊接层空洞控制实验结果表明微波等离子清洗焊接界面和在芯片的表面施加合适的压力可以有效减少焊接层空洞的形成，降低器件热阻。

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