陶瓷封装电路内部水汽的稳定性控制

摘 要：简述了集成电路陶瓷封装内部水汽含量的不稳定性，主要是由粘接材料导电胶在高温下分解释放出的水汽所造成的。不同的封装温度内部水汽含量不一样。说明导电胶应充分固化，尽可能在较低的温度下进行封盖。

关键词：集成电路，水汽含量，稳定性

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0047-03

1 引言

随着电子装备和系统对可靠性和使用期的要求不断提高，对于集成电路的质量和可靠性以及寿命贮存期提出了更高要求。目前集成电路内部水汽已成为影响可靠性的一个重要因素，对集成电路封装的水汽含量已有明确的要求。根据GJB597A-96 《半导体集成电路总规范》3.5.1条及GJB548A-96《微电子器件实验方法和程序》方法1018条规定：“完成所有筛选试验之后的器件，其内部水汽含量在100℃条件下不得超过5×10 -3”[1]。

集成电路封装内部如果含有一定的水汽，有可能吸附在芯片表面，吸附的水膜会呈现导电性，在电场作用下导致漏电流增加，尤其是水中溶入的一些杂质和污染物，会引起pn结反向漏电流增加、反向击穿电压下降、表面反型、电流放大系数衰退，使得器件电性能变化或退化，而电特性退化常呈现

水汽吸附在芯片表面，在通电情况下，在电场作用下，金属铝膜将会发生电化学反应而对铝膜造成腐蚀，这是以原电池形式的两个电极过程而进行的。由于水是良好的电介质，并且由于溶解于水中的盐类的水解作用，加速了电化学反应。当水中含有Cl-，F-，P-，Na+等离子时，会加速铝的腐蚀。而铝腐蚀一旦开始，就会不断腐蚀下去直到断条，严重影响器件的可靠性和寿命。此种现象同样也会出现在压焊点和压焊的硅铝丝上[3]。

2 内部水汽的来源

IC封装内部水汽的来源主要有两个方面，一是来自封装环境气氛中的水份，二是来自封装管壳和芯片表面吸附的水份以及粘接材料中的水份。

由于水分子的亲和力，水汽在管壳腔体或芯片表面容易吸附形成一层水分子膜。尤其是封装管壳的内表面粗糙，存在凹凸不平，而凹陷处对水分子的吸附力远大于平面处的吸附力，因此在表面的凹陷处水分子容易集聚。

IC芯片粘接材料大部分用的是导电胶，其内部吸收有大量的水份，在高温下会逐步释放出来。

3 控制措施

（1）为控制水汽含量，要求在封装过程中在高纯氮气的气氛中进行封盖以解决因环境问题造成的水汽含量超标。即封装气氛为纯氮气。

（2）为了解决管壳和表面吸附的水汽，电路在封盖前要经过预烘、烘焙等多次高温烘烤，以去除表面吸附的水汽。

（3）要解决由于芯片在粘接时采用导电胶，在器件密封后导电胶会释放出水汽使腔体内水汽含量超标。主要采取以下措施：逐步提高导电胶的固化温度，适当延长固化时间，使之所含水汽尽可能的释放。如固化温度先80℃,2 h然后在150℃ 4 h，200℃，8 h，使导电胶中所含的水分彻底挥发。

4 检验结果

对集成电路内部水汽含量进行专题研究和技术攻关后，采用各种不同的封装工艺和不同的材料生产的集成电路经电子五所元器件可靠性研究分析中心检验，检验结果见表1~6。实验中所用的封装管壳均采用宜兴钟山公司生产的军标管壳，其他材料为宜兴钟山公司生产的军标镀金盖板、北京有色研究所产锡基焊环，和从美国进口的带有锡金焊料的镀金盖板做比较。所有的实验对于电路的前期处理和烘烤以及导电胶的固化条件全部相同，只是封盖的条件不同。

（1）平行缝焊的优点是低温封盖，水汽指标能够保证。如表6所示,其水汽含量不到10×10-4 。但平行缝焊只能够封装薄盖板（0.1mm），而熔封焊可以封装厚盖板（0.3mm）。平行缝焊封装的薄盖板（0.1mm）的电路在做例行实验的机械实验时，由于盖板较薄，机械强度不够，容易引起盖板变形塌陷，造成例试通不过。所以用薄盖板平行缝焊工艺不能满足军标产品要求，目前还是采用的熔封焊工艺，用0.3mm的镀金厚盖板以满足机械要求。

（2）同样采用熔封焊工艺，从表1和表2可以看出，只要采用适当的工艺，水汽含量完全过关，水汽含量在10×10-4左右，且比较稳定。

（3）采用进口带有锡金焊料的镀金盖板进行封盖时,由于锡金焊料的熔化温度要求大于340℃，所以必须采用350℃的工艺温度，则造成水汽含量的不稳定，如表3、表4所示,不管采用国产还是进口的导电胶，其水汽含量从20 ×10-4到70×10-4不等。而为了做对比实验，采用同一批电路同条件同一批生产封装，内部为空封，没有管芯和导电胶，其水汽含量在5 ×10-4以下（如表5）。说明当封盖温度较高时，水汽含量开始变大，且出现不稳定现象，有个别电路甚至出现超标现象。该现象主要是由导电胶在高温下释放水汽造成的。

（4）导电胶的外观为液型银白色糊状物。其体电阻率：<5×10-4Ω·cm；不挥发物>90%。

导电胶的成分：银粉（含量超过80%）、环氧树脂、改性剂聚酰亚胺、有机溶剂（松油醇和乙二醇丁醚醋酸脂）、胺类固化剂。

有机溶剂 （松油醇和乙二醇丁醚醋酸脂）和胺类固化剂在200℃左右时挥发。所以在导电胶固化时这些溶剂所含的水分基本上都已挥发。

环氧树脂，环氧类物质是亲水性的，其吸收水分较多，在高温下会释放出水汽，同时造成环氧类内部出现空洞，使粘接性能下降。环氧类物质在低温下就可挥发水汽，在高温下仍会继续释放水汽，所以必须进行长时间低温烘烤和一定时间的高温烘烤。但即使如此，经实验证明，导电胶在封盖时过高的高温仍会继续释放水汽，造成水汽含量的不稳定。如表3和表4（分别采用国产和进口导电胶），同时当封装封盖温度超过一定温度时（400℃以上），由于环氧类物质类物质在高温下会继续释放出水汽以及聚酰亚胺的热分解会造成大量环氧类内部空洞，从而使粘接性能明显下降直至失效（如2mm 2的芯片在300℃以下烘烤15min后剪切力为5kg，在400℃以上烘烤会下降到2kg以下）。而同一批做对比实验的电路内没有导电胶的产品则水汽含量却只有5 ×10-4，如表5。说明导电胶在高温下释放水汽是引起内部水汽含量不稳定的主要因素。

6 结语

根据以上分析和实际工艺实验验证，解决水汽问题要注意以下几点：

（1）导电胶的固化要由不同温度不同时间从低到高进行长时间固化，以尽可能的将其所含的水分挥发；

（2）导电胶固化后，封盖前先将电路短时间置于较高温度（接近封盖温度）下进行稳定性烘培，使得其导电胶内部的水汽进行释放，然后再取出进行封盖操作，有利于水汽含量的稳定；

（3）封装温度应尽可能的低（根据实验的结果表明封装温度不要超过300℃），以减少环氧树脂在高温下的水汽释放。

经过以上工艺改进后，连续做多次实验和正式的生产，水汽含量基本上稳定在20×10-4以下，满足了GJB548A的要求。