AuSn20 焊料在集成电路密封中形成空洞的研究

转自半导体封装工程师之家

马艳艳、赵鹤然、田爱民康敏、李莉莹、曹丽华

摘要：

高可靠集成电路多采用 AuSn20 焊料完成密封，在熔焊过程中焊缝区域往往产生密封空洞，这对电路的气密性和盖板焊接强度产生影响，从而造成可靠性隐患。介绍了 AuSn20 焊料密封陶瓷外壳的过程，阐述了两种从不同方向制样和观察密封空洞的方法，列举了环状空洞、扇形空洞、气泡状空洞等几种典型空洞，并阐述了这几种空洞的微观形貌、形成机理及抑制措施。

1 引言

AuSn20 是一种常见的无铅焊料，常用于集成电路的芯片粘结和陶瓷外壳密封。当 Au 和 Sn 的质量分数分别为 80%和 20%时，在 278 ℃的较低温度下即可完成共晶反应，也不需要助焊剂。这种焊料导热率和剪切强度很高，在电子封装中常用作芯片的焊接材料，又以其较高的稳定性、耐腐蚀性和润湿性，在高可靠的气密封装中应用广泛。

空洞是一种较为常见的密封质量隐患，它的存在会使产品的封盖强度和气密性降低，随着服役时间的延长，极易诱发多种致命的失效模式。高可靠器件对密封空洞控制有严格要求。AuSn 密封过程复杂且伴随着空洞的生成和消散，在反应的不同阶段空洞产生的机理并不唯一。空洞形成的影响因素有多种，包括温度曲线、焊接压力、原材料表面状态、焊料环设计、焊接气氛等。此外，柯肯达尔效应是化合物间形成空洞的一个重要原因。

针对空洞的形成问题，文章阐述了 AuSn20 焊料在高可靠陶瓷外壳密封过程中的反应过程，开展了空洞的形貌观察，讨论了几种典型空洞的微观形貌、形成机理及抑制措施。

2 AuSn20 焊料密封反应过程

AuSn20 焊料密封反应过程发生在盖板（可伐合金）、AuSn20 焊料环、陶瓷管壳之间，其结构示意图如图 1 所示。

AuSn20 焊料工艺曲线包括升温 AB、保温 BC、升温 CD、保温 DE、降温 EF 5 个阶段，如图 2 所示。由于AuSn20 焊料与管壳、盖板及其镀层之间有良好的润湿性，一般不易出现由不润湿导致的空洞。同时，在升温和保温阶段，管壳、盖板镀层会向熔融焊料中熔解、扩散。在降温阶段，焊料从熔融状态共晶成为固态，密封空洞也在这个阶段最终形成。

3 空洞观察方法

AuSn20 焊料环本身的厚度只有 50 μm，焊缝内空洞的尺寸更小，一般在几个微米的量级。一般采用 X射线照相的方式，从宏观上整体观察焊料环区域，给出总体空洞率或单个空洞尺寸占焊缝设计宽度的百分比。此外，也可以采用超声扫描的方法去探测密封区域的空洞。

若需要更为直观地观察空洞，则必须对样品进行破坏性物理分析。可以对待观察样品先镶嵌成规则样块，然后用研磨机研磨，到达目标区域后再剖光，然后进行 SEM 观察，为了增强观察效果，还可以腐蚀、喷金等等。

图 3 为样品研磨位置和观察截面的示意图。可以解剖到研磨位置 1，从观察方向 1 来观察焊缝的端面，得到由焊料环内部到外部的截面图；也可以解剖到研磨位置 2，从观察方向 2 观察焊缝的整个侧面区域。

图 4 给出了从研磨位置 1 观察到的焊缝端面微观结构。从图中可以看出，大量空洞弥散在焊缝内，未呈现集聚状态，较大的空洞长度在 60 μm 左右，较小的空洞不足 5 μm。空洞均位于焊缝中间区域，在焊缝与母材界面处未发现由润湿不良引起的空洞。

图 5 给出了另一只电路样品从研磨位置 2 观察到的焊缝侧面微观结构。从图中可以看出，该电路封盖焊接过程中控制较好，焊缝中未见明显空洞，焊缝的高度约 35 μm，与焊料环的初始高度 50 μm 相比略有下降。

4 几种典型空洞

4.1 环状空洞 

在采用 AuSn20 焊料环封盖的样品 X 射线照相图片上可以发现几种密封空洞，其中最典型的是环状空洞，如图 6 所示。这类空洞并非是单个的，而是非常均匀地出现在焊料环的四周，分布在位于焊料环内侧、离焊料环内侧边缘有一段距离的区域，多个空洞连接成线，构成环状。

因为焊料凝固和空洞形成的过程不易直观观察到，目前尚没有人确切地指出环状空洞的形成机理。很可能是由于焊料在降温阶段存在温度梯度，环境温度先于内腔氮气降低到共晶点以下，此时焊料 a 端先结晶凝固，如图 7 所示。随着温度的继续降低，内腔氮气压强逐步下降，焊料与盖板之间的润湿平衡被打破，对焊料 b 端产生进一步向内的趋势，直至温度也达到共晶点。在争夺当中，空洞在 c 处长大。同时，焊料环宽度与焊缝宽度差距较大，导致密封过程中焊料量不足，难以铺满密封区，这也是形成空洞的原因。

一些机构尝试增加焊料用量，可以起到减弱环状空洞的效果，或在密封区域不变的前提下减小焊缝宽度，可以大幅降低空洞率，不过这样也容易导致焊料爬盖，或因焊料过多而引发颗粒噪声问题。也有机构尝试增加焊接压力，这对抑制空洞的形成很有效，但同时也会引起焊料内溢，为颗粒噪声埋下隐患。

消除环状空洞是一个系统性工程，需要做好盖板、焊料环比例、结构设计，并采用适当的焊接压力。首先，在不引起颗粒噪声的前提下，应尽量设计更多的焊料，可以按照等体积法来计算：熔化后厚度 30μm，熔化后铺满密封区，熔化前焊料环厚度 50 μm，推导出理想的焊料环宽度。进一步，考虑到环状空洞出现的位置总是在靠近内腔的区域，因此应该将焊料环设计在密封区偏内侧的位置，从而有针对性地对内侧提供充足的焊料。对于常见的陶瓷外壳，压力在 3~5 N 为优选。压力过小导致缝隙大，焊料熔融后填隙能力差；压力过大又会导致盖板变形等问题，引发扇形空洞。

4.2 扇形空洞

另一种比较典型的空洞是扇形空洞，这类空洞多出现在焊料环的转角处，如图 8 所示。

扇形空洞在大尺寸电路中较为常见，其形成原因主要是：在施加封盖压力时，夹具往往作用在盖板中心区域，其下方正是管壳的空腔，这会导致盖板发生轻微变形。大尺寸电路封盖时所需施加的焊接压力也较大，其变形程度也较大，这使得盖板在转角处翘曲，导致 4 个转角处盖板与管壳之间的距离要比 4 个边及中间区域大。这导致焊接压力在焊料上的不均匀分布，如图 9（a）所示。在焊接压力不足的情况下，转角处焊料流速降低，呈现纵向堆积，如图 9（b）所示。这样一来，填满同样大小的面积转角处就需要更多的焊料量。但转角区域的焊料是有限的，焊料缺少的部分就形成了大量空洞。另一种形成扇形空洞的原因是原材料造成的密封压力不均匀，早期的陶瓷外壳制备工艺不成熟，金属化密封区的状态差，表现为陶瓷基体的平面度较差，这样即使提供了相对均匀的密封压力，作用在平面度较差的密封区后也会形成焊接压力不均匀的状况，导致扇形空洞。

解决这类空洞的主要方法是避免盖板发生翘曲。有的机构采用倒封方式完成密封，将盖板放置在载物台上，管壳在盖板上，再在管壳背面放置重块等物体，施加密封压力，这样可以避免盖板形变。

此外，在密封过程中，给盖板增加不易形变的垫片也是一个好方法。这样，密封压力首先作用在垫片上，再通过垫片均匀施加在盖板上，避免压力过大而不均匀导致的盖板变形。此外，早些年有研究表明，陶瓷外壳金属化密封区的状态也很重要，如果做金属环扇形空洞就不会出现。同时，若原材料金属化密封区的状态差，可以在密封区加装平面度较高的金属环。

4.3 气泡状空洞

图 10 给出了一种大量弥散在焊缝区域中的空洞。这类空洞由众多小的空洞组成，这些空洞在焊料环外边缘处开始滋生，并向内侧蔓延。对焊缝进行剖面观察，结果如图 11 所示，从图中可以看出，大量大小不一的气泡状空洞弥散在焊缝中，焊缝的高度甚至高于焊料环的初始厚度，并且盖板镀镍层与焊缝之间的界面变得不确定。

气泡状空洞的形成机理主要是密封温度过高，焊料熔融时间过长。在保持其他条件不变的情况下，将密封峰值温度从 310 ℃逐步增加，可以观察到气泡状空洞带的变化趋势。起初只能在靠近密封区外侧边缘位置找到个别微小的气泡状空洞；随着峰值温度增加到 330 ℃，气泡状空洞沿着密封区外侧边缘位置开始聚集；当峰值温度继续增加，气泡状空洞带的宽度开始向内蔓延，直至铺满整个密封区。适当降低密封温度可以减少气泡状空洞，降低焊缝高度。

此外，在外壳制作工艺中，如果没有特别提出排氢要求，在密封时易转化为焊缝中的空洞。这是因为在高温密封过程中，本体和镀层有气体释放出来或者污染物裂解形成气泡。主要应对措施是在密封前预先高温烘焙原材料以排除不良因素。

5 结论

文章介绍了 AuSn20 密封陶瓷外壳的过程中观察密封空洞的方法，列举了环状空洞、扇形空洞、气泡状空洞等几种典型空洞。

消除环状空洞的关键在于做好盖板、焊料环比例、结构设计，从而对焊料环内侧充分补充焊料，避免空洞。扇形空洞的成因主要是焊料环转角处受压力不足，应尽量避免盖板翘曲，从而使密封压力均匀施加在盖板、焊料环上。气泡状空洞形成的主要因素是密封峰值温度，在保证气密性的前提下采用较低的密封峰值温度是一个良好的选择。

免责申明：本文内容来源半导体封装工程师之家 马艳艳、赵鹤然、田爱民、康敏、李莉莹、曹丽华，文字、素材、图片版权等内容属于原作者，本站转载内容仅供大家分享学习。如果侵害了原著作人的合法权益，请及时与我们，我们会安排删除相关内容。

关键词：先艺电子、XianYi、先艺、金锡焊片、Au80Sn20焊片、Solder Preform、芯片封装焊片供应商、芯片封装焊片生产厂家、低温共晶焊料、Eutectic Solder、光伏焊带、太阳能焊带、银钎料、银基钎料、助焊膏、高温助焊剂、共晶助焊膏、高温焊锡膏、paste flux、flux paste、气密性金属封装、气密性封焊、共晶键合、激光器巴条封装、覆膜预成形焊片、热沉、heatsink、光电子器件封装、MEMS器件封装、预成型锡片、纳米银、微纳连接技术、AuSn Alloy、flux coating solder、TO-CAN封装、低温焊锡膏、喷印锡膏、银焊膏、银胶、银浆、烧结银、低温银胶、银烧结、silver sinter paste、金锡衬底、金锡焊料封装、芯片到玻璃基板贴片 (COG)、铟焊料封装、共晶焊、金锡烧结、金锡共晶烧结、金锡薄膜、金锡合金薄膜、合金焊料、金锡焊料、SMT锡片、Au50Cu50焊片、Au80Cu20焊片、Au焊片、Au88Ge12焊片、Au99Sb1焊片、Sn焊片、激光巴条金锡共晶焊、激光巴条焊接材料、背金锡、预置金锡盖板、贴膜包装焊片、金锡薄膜热沉、SMT用预成形焊片、载带式预成形焊片、IGBT大功率器件封装、锡银焊料片、锡锑焊料片、中高温焊片、异形焊料片、IGBT焊料片、先艺、焊锡片、金锡焊膏、纳米银锡膏、微组装焊料、金锡凸点、金锡bump、激光巴条共晶、Au80Sn20、AuSn Solder、晶振金锡封盖、电镀金锡、共晶贴片、铟铅焊片、铟铅合金、锡铋焊片、锡铋焊料、金锡薄膜电路

先艺电子、xianyi、www.xianyichina.com

广州先艺电子科技有限公司是先进半导体封装连接材料制造商，我们可根据客户的要求定制专业配比的金、银、铜、锡、铟等焊料合金，加工成预成型焊片，更多资讯请看www.xianyichina.com，或关注微信公众号“先艺电子”