低溫?zé)Y(jié)型銀漿料對(duì)半導(dǎo)體芯片貼裝性能的影響

1、低溫?zé)Y(jié)型銀漿料對(duì)半導(dǎo)體芯片貼裝性能的影響摘要：隨著微波電路、微電子器件、半導(dǎo)體集成電路向大功率、小型化、輕量 化、高密度組裝化、低成本、高性能和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體芯片組裝 工藝提出了更高的要求。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片組裝工藝中，通常采用金-硅共熔焊的 合金貼裝，或采用導(dǎo)電膠類粘結(jié)劑貼裝。合金釬焊時(shí)存在熱應(yīng)力大，易造成半導(dǎo) 體及其他元件因熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致焊縫、接口、支撐件甚至整個(gè)組件失效， 且合金粉末的松動(dòng)顆粒在苛刻工作環(huán)境下易造成器件短路；導(dǎo)電膠類粘結(jié)劑則存 在器件在使用過程中由熱疲勞效應(yīng)引起粘結(jié)強(qiáng)度逐漸減弱的問題，使所粘結(jié)的芯 片開裂脫落，導(dǎo)致器件失效。關(guān)鍵詞：低溫?zé)Y(jié)型銀漿料；

2、半導(dǎo)體芯片貼裝性能； 針對(duì)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片組裝工藝的缺陷，國(guó)外報(bào)道了 1種新型的半導(dǎo)體芯片 組裝用的銀-玻璃體系漿料，該漿料用做半導(dǎo)體芯片和集成電路的組裝連接，替代 現(xiàn)有的共熔焊或合金貼裝組裝工藝，具有熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率高、膨脹系數(shù)小、散熱 性能好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，尤其在應(yīng)用于混合電路中大面積陶瓷基片貼片時(shí)具有 明顯優(yōu)勢(shì)，更適合于自動(dòng)分配、高速?zèng)_印或滴涂組裝工藝和大的陶瓷芯片組裝連 接。重點(diǎn)考察半導(dǎo)體芯片與氧化鋁陶瓷基座組裝后的粘結(jié)強(qiáng)度，以研究漿料中銀 粉、玻璃粉粘結(jié)相和有機(jī)載體的含量以及燒結(jié)工藝對(duì)組裝件剪切力和冷熱溫度循 環(huán)后粘結(jié)強(qiáng)度的影響，解決銀基漿料應(yīng)用的可靠性問題。1 實(shí)驗(yàn)（1）漿料的制備

3、。漿料的成分設(shè)計(jì)由功能相、粘結(jié)相和有機(jī)載體這3 部分組 成。功能相采用銀粉，其作用是導(dǎo)熱和導(dǎo)電；粘結(jié)相采用低融化溫度的玻璃粉， 它主要通過調(diào)整玻璃粉的成分和漿料中的含量，起到低溫?zé)Y(jié)時(shí)的粘結(jié)作用，有 利于與銀導(dǎo)體形成網(wǎng)絡(luò)狀組織，并調(diào)節(jié)漿料的線膨脹系數(shù)，保證半導(dǎo)體芯片與基 片貼裝時(shí)的線膨脹系數(shù)相匹配，同時(shí)滿足芯片與基片粘結(jié)強(qiáng)度的要求；有機(jī)載體 的添加是為了滿足半導(dǎo)體芯片與基片的預(yù)裝配，有機(jī)載體的性質(zhì)、成分和含量將 影響漿料的活性、浸潤(rùn)性和流平性。（2）漿料配制。將超細(xì)球狀銀粉、片狀銀粉、玻璃粉和有機(jī)載體等按比例混合，經(jīng)球磨機(jī)研磨約1 h,混合均勻，成漿。將銀基漿料點(diǎn)涂在陶瓷基座上，按 照設(shè)計(jì)的方

4、向、位置，將芯片準(zhǔn)確地貼裝于預(yù)定位置，靜置15 min。燒結(jié)工藝為: 以2 C/min的升溫速率，從室溫升至150 C,保溫30 min；再升至300 C,保溫 30 min；最后升至峰值燒結(jié)溫度430 C，保溫30 min，隨爐冷卻。（3）試驗(yàn)儀器。溫度循環(huán)設(shè)備： T 高低溫循環(huán)箱；附著力測(cè)試設(shè)備：用內(nèi)引 線拉力芯片剪切力應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試附著力，其準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到滿刻度的5或0.5 N。 測(cè)試時(shí)，通過芯片接觸工具將力均勻地施加到芯片的一條棱邊，保證芯片接觸工 具與基座上安放芯片的平面垂直，芯片接觸工具應(yīng)在與固定芯片的基片近似成 90 的芯片邊沿施加載荷。2 低溫?zé)Y(jié)型銀漿料對(duì)半導(dǎo)體芯片貼裝性能的影

5、響（1）基片凈化處理工藝對(duì)附著力的影響。待貼裝的芯片和陶瓷基片表面不能 有油污，否則會(huì)在表面上形成油膜，使薄膜和基片不能直接接觸，并嚴(yán)重影響漿 料與陶瓷基片的結(jié)合力，以致燒結(jié)膜易剝落。因此，點(diǎn)涂之前必須對(duì)芯片和陶瓷 基片進(jìn)行除油處理。陶瓷基片統(tǒng)一用高純氮?dú)獯迪?。試?yàn)采用2種不同工藝進(jìn)行 芯片處理：a）先用7080 C的熱去離子水沖洗，用甲苯超聲波清洗23 min，繼 用熱去離子水沖洗。再用丙酮超聲波清洗23 min,繼用熱去離子水沖洗。最后 用無水乙醇清洗23 min,繼用熱去離子水沖洗。然后將芯片放在潔凈烘箱內(nèi)升 溫至80 C烘干。b）重復(fù)a）的步驟，加上用7080 C肥皂水浸洗后用去離子水

6、清 洗。然后將芯片放在潔凈烘箱內(nèi)升溫至80 C烘干。芯片分別經(jīng)以上2種工藝處 理后，由清水清洗工藝到工藝，芯片的剪切力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)檎掣接诒砻嫔?的油污分為2類。一類為非皂化油脂，如礦物油，它們與堿不發(fā)生作用，一般不 溶于水，而溶于有機(jī)溶劑，故需利用有機(jī)溶劑將基體表面上的油污除去。此法的 特點(diǎn)是不但能除油，而且除油速度很快。另一類是皂化油脂，包括動(dòng)物油和植物 油，這類油脂能在堿液中分解，生成易溶于水的肥皂和甘油，從而使油污被除去。 因此使用工藝，結(jié)合有機(jī)溶劑和皂化反應(yīng)共同除油、高純氮?dú)獯迪?，是半?dǎo)體芯 片組裝獲得最佳附著力的前提條件。（2）電子漿料中玻璃料的含量對(duì)附著力的影響。因本實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)

7、體元器件的封 裝溫度為430 C,漿料中的粘結(jié)相一玻璃粉也應(yīng)在430 C左右融化。所選硼硅酸 鉛系玻璃粉的DSC分析結(jié)果表明，其軟化溫度在350375 C，最佳燒結(jié)峰值溫度 為400410 C,玻璃料結(jié)合的銀漿料對(duì)玻璃料的要求相當(dāng)嚴(yán)格，若玻璃料的軟化 點(diǎn)過高，在燒結(jié)峰值溫度下還不能熔融，會(huì)出現(xiàn)欠燒；若玻璃的軟化點(diǎn)過低，則 在氧化鋁陶瓷基板的燒成溫度下會(huì)造成玻璃過流而不能形成正常的膜結(jié)構(gòu)。在玻 璃料充分熔融后，玻璃相分布不均勻，通常傾向于富集在基板表面，從而形成一 個(gè)金屬密集的上層和一個(gè)玻璃密集的下層附著力在漿料燒成過程中，溫度升高， 玻璃料軟化成熔融態(tài)，一方面潤(rùn)濕固體微粒，使金屬離子重新排列、

8、片狀銀粉和 球狀銀粉相互緊密接觸，形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，玻璃料在浸潤(rùn)和毛細(xì)管力 作用下影響燒結(jié)膜和基片之間的界面，在冷卻時(shí)凝固收縮，促使金屬粒子保持互 相接觸形成導(dǎo)電層，使?jié){料膜層與基板之間緊密結(jié)合；另一方面熔融的玻璃料潤(rùn) 濕陶瓷基板的表面，并滲入氧化鋁的晶界，與基板形成機(jī)械互鎖，將導(dǎo)電膜連接 到氧化鋁基板上。玻璃粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 15%增大到25時(shí)曲線斜率逐漸增大，剪切 力不斷提高，粘結(jié)相的作用逐漸顯著；玻璃料的含量對(duì)剪切力的影響逐漸減小， 剪切力增長(zhǎng)緩慢。這表明燒結(jié)膜附著力增強(qiáng)的首要前提是要有足夠的玻璃相來提 供充足的液相含量。液相含量不足，使燒結(jié)致密化的驅(qū)動(dòng)力就不足，固體顆粒不 能被完全

9、潤(rùn)濕，從而影響其致密性，另外燒結(jié)膜也不能良好地潤(rùn)濕陶瓷基板，并 在其間形成玻璃鍵合從而嚴(yán)重影響附著力；液相量達(dá)到一定程度后，燒結(jié)膜附著 力和致密性顯著提高，繼續(xù)增加液相含量，附著力雖有增加，但增長(zhǎng)緩慢。玻璃 含量也不是越多越好，過多的玻璃含量會(huì)使得膜的焊接性能度差。因此玻璃料的 含量在 30時(shí)，附著力最大，元器件可靠性最佳。（3）熱導(dǎo)率的變化。漿料作為芯片與基片的組裝材料需要有高效導(dǎo)熱媒質(zhì)的 功能。在固體中，對(duì)能量運(yùn)載者可以是自由電子、晶格振動(dòng)波（聲子）和電磁輻射 （光子）。對(duì)純金屬來說，電子導(dǎo)熱是主要的導(dǎo)熱機(jī)制，在絕緣體內(nèi)，幾乎只存在 聲子導(dǎo)熱一種形式；在合金中除了電子導(dǎo)熱以外，聲子導(dǎo)熱也有

10、一定的作用。低 溫?zé)Y(jié)型銀玻璃燒結(jié)體實(shí)質(zhì)上是一種以銀基體作為連續(xù)相，玻璃粘結(jié)相作為分 散相的復(fù)合材料，可以用電子、聲子導(dǎo)熱的機(jī)制來描述其導(dǎo)熱行為，實(shí)由于銀 玻璃燒結(jié)體的孔隙和界面熱阻兩個(gè)主要影響因素作用的結(jié)果。一方面，低溫?zé)Y(jié) 的銀玻璃燒結(jié)體中形成的孔隙使其致密性降低，引起聲子的散射而降低熱導(dǎo)率； 另一方面，在燒結(jié)體中存在大量的銀基體相與玻璃相的界面，對(duì)材料的熱導(dǎo)率產(chǎn) 生的影響主要是通過界面熱阻來起作用的，使聲子和自由電子發(fā)生一定的散射， 降低材料的熱導(dǎo)率，界面越多，界面熱阻越大，其熱導(dǎo)率就會(huì)下降越大。隨著銀 玻璃漿料中玻璃粉含量的增加，體系中氣孔率和銀基體相與玻璃相的界面逐漸 增多，使得材料內(nèi)部的缺陷增加而導(dǎo)致聲子和自由電子發(fā)生散射的幾率增加，因 此熱導(dǎo)率理論值與實(shí)驗(yàn)值之間的偏差也逐漸增大。參