半導(dǎo)體設(shè)計中的密封工藝介紹

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)實的矛盾，正如中國古話“沒有不透風(fēng)的墻”所描述的那樣，絕對密封難以實現(xiàn)。研究表明，集成電路芯片和互連結(jié)構(gòu)若長期暴露在空氣中，會逐漸衍生出諸多可靠性問題。例如，當水汽低于露點時，會在芯片表面凝結(jié)，不僅導(dǎo)致漏電現(xiàn)象加劇，還會加速焊點的腐蝕進程。

為給芯片及其互連結(jié)構(gòu)營造密閉空間，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。

事實上，實現(xiàn)絕對的物理隔離并不現(xiàn)實。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，并且這些缺陷會隨著服役時間的增長而不斷擴大。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，微裂紋會進一步擴展。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)進行。

在等壓條件下，氣體向內(nèi)和向外流動的路徑和漏率一致，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)腔會填充高純氮氣，而腔體外部則是空氣?？諝獾闹饕煞职ǎ旱獨猓考s78.1%；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。氣體分子會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，直至內(nèi)、外腔體的氣體濃度達到平衡。在此過程中，氮氣、氦氣會向外泄漏，而氧氣、水汽、二氧化碳則會進入內(nèi)腔。其中，水汽對芯片危害極大，因此大量研究聚焦于水汽對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)腔初始氣氛：確保水汽、氧氣等對芯片有害的氣體含量，處于相關(guān)標準允許的范圍之內(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，并保持較長時間 。

典型密封工藝

實現(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詳見表1。

表1 平行縫焊、金錫熔封的工藝特點

內(nèi)部氣氛

密封腔體內(nèi)的水汽含量，對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，水汽會加速芯片焊盤的腐蝕進程，嚴重威脅器件的性能與壽命。因此，嚴格控制水汽含量，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，需要對器件進行內(nèi)部氣氛含量分析。這種分析可覆蓋產(chǎn)品的整個壽命周期，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量密封腔體中水汽和其他氣體的測試分析方法，檢測對象包括水汽、氧氫、氦、氬、二氧化碳、氨氣以及其他有機化合物等。值得注意的是，該分析屬于破壞性試驗。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，當水汽含量超標時，還能通過分析，追溯水汽的來源，以便采取針對性的改進措施 。

熱阻

隨著時代的發(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，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，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）熱阻進行評估，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的溫差與功耗之比。按照GJB 7400 - 2011對封裝外殼設(shè)計的要求，在產(chǎn)品設(shè)計定型初期，就需確定較為準確的封裝外殼熱阻參數(shù)。

在測量和計算器件封裝熱阻值，分析器件工作時芯片產(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，改善芯片的熱量耗散通路，降低封裝熱阻值，例如設(shè)計更薄的殼體結(jié)構(gòu)，必要時添加熱沉、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 。

檢驗標準

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

2.氣密性——細檢漏：遵循GJB 548B - 2005方法1014的規(guī)定，根據(jù)器件腔體體積確定對應(yīng)的加壓條件。完成加壓后，使用氦質(zhì)譜檢漏儀對器件進行氣密性檢測，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)譜檢漏儀對器件進行氣密性檢測。隨后，將器件置于125℃的碳氟化合物中進行觀察，若從同一位置冒出一串明顯氣泡，或出現(xiàn)兩個及以上大氣泡，即判定該器件失效。

4.水汽含量檢測：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，不得超過體積分數(shù)5000×10??。

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