范玉丰
天津环鑫科技发展有限公司 天津 300392
摘要：随着微波电路、微电子器件、半导体集成电路向大功率、小型化、轻量化、高密度组装化、低成本、高性能和高可靠性的方向发展，对半导体芯片组装工艺提出了更高的要求。传统的半导体芯片组装工艺中，通常采用金-硅共熔焊的合金贴装，或采用导电胶类粘结剂贴装。合金钎焊时存在热应力大，易造成半导体及其他元件因热膨胀系数不匹配，导致焊缝、接口、支撑件甚至整个组件失效，且合金粉末的松动颗粒在苛刻工作环境下易造成器件短路；导电胶类粘结剂则存在器件在使用过程中由热疲劳效应引起粘结强度逐渐减弱的问题，使所粘结的芯片开裂脱落，导致器件失效。
关键词：低温烧结型银浆料；半导体芯片贴装性能；
针对传统的半导体芯片组装工艺的缺陷，国外报道了1 种新型的半导体芯片组装用的银-玻璃体系浆料，该浆料用做半导体芯片和集成电路的组装连接，替代现有的共熔焊或合金贴装组装工艺，具有热导率和导电率高、膨胀系数小、散热性能好、成本低廉等优点，尤其在应用于混合电路中大面积陶瓷基片贴片时具有明显优势，更适合于自动分配、高速冲印或滴涂组装工艺和大的陶瓷芯片组装连接。重点考察半导体芯片与氧化铝陶瓷基座组装后的粘结强度，以研究浆料中银粉、玻璃粉粘结相和有机载体的含量以及烧结工艺对组装件剪切力和冷热温度循环后粘结强度的影响，解决银基浆料应用的可靠性问题。
1 实验
（1）浆料的制备。浆料的成分设计由功能相、粘结相和有机载体这3部分组成。功能相采用银粉，其作用是导热和导电；粘结相采用低融化温度的玻璃粉，它主要通过调整玻璃粉的成分和浆料中的含量，起到低温烧结时的粘结作用，有利于与银导体形成网络状组织，并调节浆料的线膨胀系数，保证半导体芯片与基片贴装时的线膨胀系数相匹配，同时满足芯片与基片粘结强度的要求；有机载体的添加是为了满足半导体芯片与基片的预装配，有机载体的性质、成分和含量将影响浆料的活性、浸润性和流平性。
（2）浆料配制。将超细球状银粉、片状银粉、玻璃粉和有机载体等按比例混合，经球磨机研磨约1 h，混合均匀，成浆。将银基浆料点涂在陶瓷基座上，按照设计的方向、位置，将芯片准确地贴装于预定位置，静置15 min。烧结工艺为：以2 ℃/min 的升温速率，从室温升至150 ℃，保温30 min；再升至300 ℃，保温30 min；最后升至峰值烧结温度430 ℃，保温30 min，随炉冷却。
（3）试验仪器。温度循环设备：T高低温循环箱；附着力测试设备：用内引线拉力芯片剪切力应力测试仪测试附着力，其准确度应达到满刻度的±5％或0.5 N。测试时，通过芯片接触工具将力均匀地施加到芯片的一条棱边，保证芯片接触工具与基座上安放芯片的平面垂直，芯片接触工具应在与固定芯片的基片近似成90°的芯片边沿施加载荷。
2 低温烧结型银浆料对半导体芯片贴装性能的影响
（1）基片净化处理工艺对附着力的影响。待贴装的芯片和陶瓷基片表面不能有油污，否则会在表面上形成油膜，使薄膜和基片不能直接接触，并严重影响浆料与陶瓷基片的结合力，以致烧结膜易剥落。因此，点涂之前必须对芯片和陶瓷基片进行除油处理。陶瓷基片统一用高纯氮气吹洗。试验采用2 种不同工艺进行芯片处理：a) 先用70~80 ℃的热去离子水冲洗，用甲苯超声波清洗2~3 min，继用热去离子水冲洗。再用丙酮超声波清洗2~3 min，继用热去离子水冲洗。
最后用无水乙醇清洗2~3 min，继用热去离子水冲洗。然后将芯片放在洁净烘箱内升温至80 ℃烘干。b) 重复a)的步骤，加上用70~80 ℃肥皂水浸洗后用去离子水清洗。然后将芯片放在洁净烘箱内升温至80 ℃烘干。芯片分别经以上2 种工艺处理后，由清水清洗工艺到工艺，芯片的剪切力逐渐增强。这是因为粘附于表面上的油污分为2 类。一类为非皂化油脂，如矿物油，它们与碱不发生作用，一般不溶于水，而溶于有机溶剂，故需利用有机溶剂将基体表面上的油污除去。此法的特点是不但能除油，而且除油速度很快。另一类是皂化油脂，包括动物油和植物油，这类油脂能在碱液中分解，生成易溶于水的肥皂和甘油，从而使油污被除去。因此使用工艺，结合有机溶剂和皂化反应共同除油、高纯氮气吹洗，是半导体芯片组装获得最佳附着力的前提条件。
（2）电子浆料中玻璃料的含量对附着力的影响。因本实验半导体元器件的封装温度为430 ℃，浆料中的粘结相—玻璃粉也应在430 ℃左右融化。所选硼硅酸铅系玻璃粉的DSC 分析结果表明，其软化温度在350~375 ℃，最佳烧结峰值温度为400~410 ℃，玻璃料结合的银浆料对玻璃料的要求相当严格，若玻璃料的软化点过高，在烧结峰值温度下还不能熔融，会出现欠烧；若玻璃的软化点过低，则在氧化铝陶瓷基板的烧成温度下会造成玻璃过流而不能形成正常的膜结构。在玻璃料充分熔融后，玻璃相分布不均匀，通常倾向于富集在基板表面，从而形成一个金属密集的上层和一个玻璃密集的下层附着力在浆料烧成过程中，温度升高，玻璃料软化成熔融态，一方面润湿固体微粒，使金属离子重新排列、片状银粉和球状银粉相互紧密接触，形成良好的导电网络。同时，玻璃料在浸润和毛细管力作用下影响烧结膜和基片之间的界面，在冷却时凝固收缩，促使金属粒子保持互相接触形成导电层，使浆料膜层与基板之间紧密结合；另一方面熔融的玻璃料润湿陶瓷基板的表面，并渗入氧化铝的晶界，与基板形成机械互锁，将导电膜连接到氧化铝基板上。玻璃粉质量分数从15%增大到25％时曲线斜率逐渐增大，剪切力不断提高，粘结相的作用逐渐显著；玻璃料的含量对剪切力的影响逐渐减小，剪切力增长缓慢。这表明烧结膜附着力增强的首要前提是要有足够的玻璃相来提供充足的液相含量。液相含量不足，使烧结致密化的驱动力就不足，固体颗粒不能被完全润湿，从而影响其致密性，另外烧结膜也不能良好地润湿陶瓷基板，并在其间形成玻璃键合从而严重影响附着力；液相量达到一定程度后，烧结膜附着力和致密性显著提高，继续增加液相含量，附着力虽有增加，但增长缓慢。玻璃含量也不是越多越好，过多的玻璃含量会使得膜的焊接性能度差。因此玻璃料的含量在30％时，附着力最大，元器件可靠性最佳。
（3）热导率的变化。浆料作为芯片与基片的组装材料需要有高效导热媒质的功能。在固体中，对能量运载者可以是自由电子、晶格振动波(声子)和电磁辐射(光子)。对纯金属来说，电子导热是主要的导热机制，在绝缘体内，几乎只存在声子导热一种形式；在合金中除了电子导热以外，声子导热也有一定的作用。低温烧结型银／玻璃烧结体实质上是一种以银基体作为连续相，玻璃粘结相作为分散相的复合材料，可以用电子、声子导热的机制来描述其导热行为，实由于银／玻璃烧结体的孔隙和界面热阻两个主要影响因素作用的结果。一方面，低温烧结的银／玻璃烧结体中形成的孔隙使其致密性降低，引起声子的散射而降低热导率；另一方面，在烧结体中存在大量的银基体相与玻璃相的界面，对材料的热导率产生的影响主要是通过界面热阻来起作用的，使声子和自由电子发生一定的散射，降低材料的热导率，界面越多，界面热阻越大，其热导率就会下降越大。随着银／玻璃浆料中玻璃粉含量的增加，体系中气孔率和银基体相与玻璃相的界面逐渐增多，使得材料内部的缺陷增加而导致声子和自由电子发生散射的几率增加，因此热导率理论值与实验值之间的偏差也逐渐增大。
参考文献：
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