文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

本文介紹了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的密封工藝。

從某種層面來說，氣密封裝存在理論與現(xiàn)實(shí)的矛盾，正如中國(guó)古話“沒有不透風(fēng)的墻”所描述的那樣，絕對(duì)密封難以實(shí)現(xiàn)。研究表明，集成電路芯片和互連結(jié)構(gòu)若長(zhǎng)期暴露在空氣中，會(huì)逐漸衍生出諸多可靠性問題。例如，當(dāng)水汽低于露點(diǎn)時(shí)，會(huì)在芯片表面凝結(jié)，不僅導(dǎo)致漏電現(xiàn)象加劇，還會(huì)加速焊點(diǎn)的腐蝕進(jìn)程。

為給芯片及其互連結(jié)構(gòu)營(yíng)造密閉空間，阻斷封裝內(nèi)部與外部的氣體交換，氣密封裝這種高可靠的封裝形式應(yīng)運(yùn)而生。隨之，密封工藝作為高可靠集成電路微組裝流程中的最后一道關(guān)鍵工序被確立。

事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的物理隔離并不現(xiàn)實(shí)。一方面，集成電路從開蓋到完成封蓋的密封焊接過程中，形成的焊縫區(qū)域本身就存在缺陷，并且這些缺陷會(huì)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷擴(kuò)大。另一方面，封裝外殼基體可能存在微裂紋，在熱循環(huán)作用下，微裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。上述因素導(dǎo)致氣密封裝的內(nèi)腔和外腔之間形成了緩慢漏氣的通道，使得內(nèi)腔和外腔的氣氛交換持續(xù)進(jìn)行。

在等壓條件下，氣體向內(nèi)和向外流動(dòng)的路徑和漏率一致，區(qū)別僅在于氣體種類和流向。一般情況下，氣密封裝的內(nèi)腔會(huì)填充高純氮?dú)猓惑w外部則是空氣?？諝獾闹饕煞职ǎ旱?dú)?，含量約78.1%；氧氣，含量約20.9%；稀有氣體，含量約0.9%；二氧化碳，含量約0.03%；水和雜質(zhì)，含量約0.03%。需注意的是，外部氣體成分會(huì)隨服役環(huán)境的變化而改變。比如，在海洋環(huán)境中，水汽含量顯著升高；在太空環(huán)境里，電路可能處于航天器內(nèi)部，也可能直接暴露于真空中。氣體分子會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，直至內(nèi)、外腔體的氣體濃度達(dá)到平衡。在此過程中，氮?dú)?、氦氣?huì)向外泄漏，而氧氣、水汽、二氧化碳則會(huì)進(jìn)入內(nèi)腔。其中，水汽對(duì)芯片危害極大，因此大量研究聚焦于水汽對(duì)集成電路可靠性的影響，隔絕水汽也成為氣密封裝的核心任務(wù)。

綜上所述，密封工藝主要涵蓋以下兩方面工作：

控制密封內(nèi)腔初始?xì)夥眨捍_保水汽、氧氣等對(duì)芯片有害的氣體含量，處于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)。

控制氣密封裝結(jié)構(gòu)漏氣率：將氣密封裝結(jié)構(gòu)的漏氣率維持在規(guī)定水平，并保持較長(zhǎng)時(shí)間 。

典型密封工藝

實(shí)現(xiàn)氣密封裝的工藝豐富多樣，較為常見的工藝如下：

1.平行縫焊：在高可靠集成電路的密封中應(yīng)用廣泛。

2.金錫熔封：同樣在高可靠集成電路領(lǐng)域應(yīng)用極為普遍。

3.儲(chǔ)能焊：多應(yīng)用于金屬外殼功率器件外殼的封裝作業(yè)。

4.激光焊：在氣密封裝工藝中占據(jù)一席之地。

其中，平行縫焊與金錫熔封在高可靠集成電路制造過程中，憑借其出色的性能與可靠性，被大量采用；儲(chǔ)能焊因自身特性，契合金屬外殼功率器件的封裝需求。平行縫焊、金錫熔封的工藝特點(diǎn)詳見表1。

表1 平行縫焊、金錫熔封的工藝特點(diǎn)

內(nèi)部氣氛

密封腔體內(nèi)的水汽含量，對(duì)器件的使用壽命和可靠性有著極大的影響。一方面，水汽本身能夠形成導(dǎo)電媒介，致使芯片出現(xiàn)微漏電甚至短路現(xiàn)象；另一方面，水汽會(huì)加速芯片焊盤的腐蝕進(jìn)程，嚴(yán)重威脅器件的性能與壽命。因此，嚴(yán)格控制水汽含量，是密封工藝必須滿足的基本要求。

為獲取密封腔體中的水汽含量數(shù)值，需要對(duì)器件進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量分析。這種分析可覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期，通常被稱為殘余氣氛分析（Residual Gas Analysis，RGA）。殘余氣氛分析是一種專門用于測(cè)量密封腔體中水汽和其他氣體的測(cè)試分析方法，檢測(cè)對(duì)象包括水汽、氧氫、氦、氬、二氧化碳、氨氣以及其他有機(jī)化合物等。值得注意的是，該分析屬于破壞性試驗(yàn)。在分析過程中，需使用穿刺裝置刺破器件外殼，將器件內(nèi)部的氣氛傳輸至真空裝置中，再通過設(shè)備分析氣體的組成及成分比例。

檢測(cè)密封腔體的內(nèi)部氣氛，不僅有助于掌握器件內(nèi)部有害氣氛的含量情況，當(dāng)水汽含量超標(biāo)時(shí)，還能通過分析，追溯水汽的來源，以便采取針對(duì)性的改進(jìn)措施 。

熱阻

隨著時(shí)代的發(fā)展，電子器件和系統(tǒng)的組裝密度持續(xù)攀升。20世紀(jì)80年代，集成電路的熱流密度約為10W/cm2；到了90年代，這一數(shù)值增加至20 - 30W/cm2；2008年，熱流密度已接近100W/cm2；如今，芯片級(jí)熱流密度更是突破了1kW/cm2。伴隨器件功率密度的不斷提高，散熱問題已成為導(dǎo)致芯片及封裝失效的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約60%的器件損壞由熱因素引發(fā)，并且工作溫度每升高10℃，器件損壞的概率近乎翻倍。因此，提升器件工作性能與可靠性，優(yōu)化封裝熱設(shè)計(jì)，已成為行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

熱阻是衡量器件封裝熱性能的重要參數(shù)。芯片封裝的熱特性，通常借助結(jié)（微電路中產(chǎn)生主要熱量的半導(dǎo)體結(jié)）-殼（封裝外殼）熱阻進(jìn)行評(píng)估，該參數(shù)能夠直觀反映封裝體自身的散熱能力。依據(jù)GJB548B - 2005，熱阻被定義為結(jié)至封裝殼體上參考點(diǎn)的溫差與功耗之比。按照GJB 7400 - 2011對(duì)封裝外殼設(shè)計(jì)的要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型初期，就需確定較為準(zhǔn)確的封裝外殼熱阻參數(shù)。

在測(cè)量和計(jì)算器件封裝熱阻值，分析器件工作時(shí)芯片產(chǎn)生的熱量由封裝內(nèi)部向外傳導(dǎo)的能力及過程中，RTH(J - C)和RTH(J - A)是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中，RTH(J - C)指的是熱從芯片結(jié)傳導(dǎo)到封裝外殼的熱阻，RTH(J - A)則表示芯片結(jié)到環(huán)境的熱阻。獲取功率器件的RTH(J - C)和RTH(J - A)值后，便可結(jié)合熱阻值與器件工作功率，精確計(jì)算出器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫。

封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料是影響熱阻數(shù)值的主要因素。因此，降低封裝熱阻可從以下兩方面著手：一是通過優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，改善芯片的熱量耗散通路，降低封裝熱阻值，例如設(shè)計(jì)更薄的殼體結(jié)構(gòu)，必要時(shí)添加熱沉、散熱片等；二是選用導(dǎo)熱性能更優(yōu)的材料作為封裝材料，包括管殼材料、芯片材料、芯片粘結(jié)材料等 。

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.外觀檢驗(yàn)：依據(jù)GJB 548B - 2005方法2009的相關(guān)要求，借助放大鏡對(duì)器件外觀展開檢測(cè)。

2.氣密性——細(xì)檢漏：遵循GJB 548B - 2005方法1014的規(guī)定，根據(jù)器件腔體體積確定對(duì)應(yīng)的加壓條件。完成加壓后，使用氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)器件進(jìn)行氣密性檢測(cè)，要求檢漏率小于5×10??Pa·m3/s。

3.氣密性——粗檢漏：按照GJB 548B - 2005方法1014的要求，根據(jù)器件腔體的實(shí)際體積選擇合適的加壓條件。加壓操作結(jié)束后，通過氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)器件進(jìn)行氣密性檢測(cè)。隨后，將器件置于125℃的碳氟化合物中進(jìn)行觀察，若從同一位置冒出一串明顯氣泡，或出現(xiàn)兩個(gè)及以上大氣泡，即判定該器件失效。

4.水汽含量檢測(cè)：參照GJB 548B - 2005方法1018的要求，器件內(nèi)部水汽含量在100℃的環(huán)境條件下，不得超過體積分?jǐn)?shù)5000×10??。

5.粒子碰撞噪聲檢測(cè)：依據(jù)GJB 548B - 2005方法2020的規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中，除背景噪聲外，不應(yīng)出現(xiàn)其他聲爆發(fā)情況。