淺析硅氧化層對燒結(jié)工藝的影響

彭文忠

摘 要：硅的表面總是覆蓋一層二氧化硅（SiO2），即使是剛剛解理的硅，在室溫下，只要在空氣中，一暴露就會在表面形成幾個原子層的氧化膜。

關(guān)鍵詞：自然氧化層；燒結(jié)；空洞

0.引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，半導(dǎo)體器件和組件在較多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。如雷達(dá)、遙控遙測、船舶、海洋探測、航空、航天等領(lǐng)域，隨著空間的擴(kuò)展和使用環(huán)境的惡劣不斷加劇，都對其可靠性提出了越來越高的要求。而因芯片焊接不良造成的失效也越來越引起了人們的重視，因?yàn)檫@種失效往往是致命的。

在半導(dǎo)體材料中，硅是唯一能夠用一層氧化層進(jìn)行表面鈍化的材料。從物理性質(zhì)來看，二氧化硅材料是一種十分理想的電絕緣材料。硅的表面總是覆蓋一層二氧化硅（SiO2），即使是剛剛磨片或拋光的硅，在室溫下，暴露在氧氣或空氣氣氛中的硅就會在表面形成極薄的自然氧化層。而該自然氧化層的存在會導(dǎo)致產(chǎn)品在焊接過程中（采用金銻焊片將芯片直接焊接到管座上），芯片與管座之間形成較多的空洞，影響到產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

本文主要討論的問題就是由于芯片背面存在自然氧化層，導(dǎo)致產(chǎn)品焊接存在空洞的問題進(jìn)行探討和淺析。

1、燒結(jié)工藝的簡介

芯片到封裝體（管座）的焊接方式很多，可概括為金屬合金焊接法（如采用金銻、金錫、鉛錫銀等焊片粘接）和樹脂粘貼（如導(dǎo)電膠粘片）兩大類。它們連接芯片的機(jī)理大不一樣，必須根據(jù)器件的種類和要求進(jìn)行合理選擇。要獲得理想的連接質(zhì)量，還需要有針對性地分析各種焊接（粘貼）機(jī)理和特點(diǎn)，燒結(jié)工藝是通過加熱，使芯片與管座之間，通過焊料片，形成良好的焊接。并且該焊接具有良好的熱傳導(dǎo)能力及可靠的機(jī)械牢固度。芯片的焊接是指半導(dǎo)體芯片與載體（封裝管座或基片）形成牢固的、傳導(dǎo)性或絕緣性連接的方法。焊接層除了為器件提供機(jī)械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道。因此芯片的焊接質(zhì)量一般通過芯片與管座之間的粘附強(qiáng)度、熱阻大小來表征。

樣品芯片焊接工藝采用金銻焊片作為焊接材料。金的熔點(diǎn)為1063℃，硅的熔點(diǎn)為1414℃，但金硅合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于單質(zhì)的金和硅。從二元系相圖中能夠看到，含有31%的硅原子和69%的金原子的 Au-Si共熔體共融溫度為370℃。這個共融溫度是選擇合適的焊接溫度的主要根據(jù)。金硅共融焊接法就是芯片、焊片（金銻焊片）、管座在一定溫度下，金硅合金融化成液態(tài)的Au-Si共熔體；冷卻后，當(dāng)溫度低于共融溫度時，共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y(jié)合的機(jī)械混合物——金硅共熔晶體而全部凝固，從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。該焊接法具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高和含較少的雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。器件焊接質(zhì)量是否良好的標(biāo)志是芯片與管座焊接面之間的界面是否牢固、平整和是否有空洞。因而結(jié)合工作實(shí)際這里主要針對此種焊接技巧的失效原因和解決措施進(jìn)行討論。

2、樣品燒結(jié)空洞分析

2.1燒結(jié)空洞問題簡述

樣品芯片焊接工藝采用的焊片為金銻焊片（Au99%-Sb1%），芯片背面為裸硅。樣品在進(jìn)行X光檢測，發(fā)現(xiàn)大量樣品存在空洞，部分樣品的空洞面積達(dá)到了70%以上，如圖1所示：

對樣品批次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有空洞的產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到了60%。對空洞樣品的焊接處進(jìn)行觀察，芯片與焊料焊接良好，包裹完整，無異常。

2.2燒結(jié)空洞問題分析

造成樣品燒結(jié)空洞過大的原因存在兩個方面：

①芯片背面氧化；

②零件底座存在沾污

針對燒結(jié)空洞的判斷，我們對芯片表面氧化和零件底座沾污兩個可能進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。見下表所示

從以上試驗(yàn)來看，造成樣品燒結(jié)空洞大的主要因素為芯片背面氧化。

3、自然氧化層對燒結(jié)工藝的影響

自然氧化層為何對產(chǎn)品燒結(jié)空洞造成如此大的影響呢？為此，我們對自然氧化層的形成及對燒結(jié)工藝的影響進(jìn)行分析。

3.1 自然氧化層的形成

采用金硅共融焊接的產(chǎn)品，芯片焊接面為硅，由于硅直接與大氣直接接觸，因此通常會該表面生成氧化層。這層氧化層會很快的覆蓋整個硅表面，厚度大約在0.5nm～1nm，然后生長速度逐步減緩并最終停止，維持在一定的厚度。其最終的厚度大約在1nm～2nm左右。但其厚度還與其存放的溫濕度、清洗后硅表面的化學(xué)殘留物有一定的關(guān)系。形成的二氧化硅不但能緊緊的依附在硅襯底上，而且具有極為穩(wěn)定的化學(xué)特性和電絕緣特性。

3.2形成空洞的原理分析

該型號產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，采用的芯片為背面裸硅。在Au-Si共融的溫度下，焊片將芯片與底座焊接在一起。而當(dāng)芯片背面有氧化層存在時，這層SiO2會阻擋在Au-Si之間無法形成良好的共融，導(dǎo)致焊接浸潤不均勻，焊接質(zhì)量降低，空洞增加。

4、如何避免類似問題發(fā)生

a. 原材料的前處理，尤其針對儲存期較長的芯片需考慮進(jìn)行背面二次減薄；

b. 劃片前對圓片背面進(jìn)行去氧化層處理、等離子清洗、退火等；

5、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，對產(chǎn)品的可靠性要求也越來越高，芯片的焊接技術(shù)也需要不斷的改進(jìn)和提升。半導(dǎo)體器件焊接失效與焊接面潔凈度差、表面不平整、是否有氧化物、焊接工藝不穩(wěn)定以及管座鍍層質(zhì)量等有關(guān)。要解決芯片焊接不良問題，必須針對不同的焊接機(jī)理，逐一分析各種失效模式，及時發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的不利因素，同時嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn)，采用科學(xué)的質(zhì)量管理方法，加強(qiáng)工藝管理，才能有效地避免因芯片焊接不良對產(chǎn)品可靠性造成的潛在危害。

參考文獻(xiàn)：

[1] James D.Plummer，Michael D. deal，Peter B. Griffin 嚴(yán)利人等譯 硅大規(guī)模集成電路工藝技術(shù) 電子工業(yè)出版社， 2010.

[2] 半導(dǎo)體焊接技術(shù)