基于銀焊膏電流燒結的航天功率分立器件氣密封裝

章永飛 李 欣 梅云輝

（天津大學材料科學與工程學院，天津 300350）

0 引言

隨著科學技術的發展，微電子器件被廣泛應用于航空航天、油氣開采等重要領域。由于使用環境的特殊性，一旦環境中的氣體和水分進入器件內部，通常會使封裝體內部芯片及電路受到外部環境的腐蝕，進而導致設備退化和過早失效［1］。為了確保微電子器件內部保持恒定的環境，以獲得最佳的操作性能和更長的使用壽命，需要對封裝的氣密性狀況嚴格把控，并通過氣密性封裝以保護電子電路免受應用環境的惡劣影響［2］。

Au80Sn20合金焊料因其高熔點（280 ℃）、良好的機械性能和抗疲勞性能，被廣泛應用于電子器件的氣密封裝［3-4］。然而在氣密封裝之前，在管殼的內部已經完成好了芯片、元器件與基板的互連，Au80Sn20合金焊料封裝過程需要升溫至300 ℃以上［5］，高溫可能會造成芯片的破壞以及焊點的重熔［6］。相比之下，平行封焊和電阻焊技術可以通過熔化蓋板和管殼的接觸面再冷卻凝固形成密封接頭，可以實現連接接頭局部區域的加熱，而無需將整個器件加熱到高溫［2，7］。然而電阻焊在氣密封裝過程中會破壞器件表面保護鍍層，在潮濕或鹽霧環境中使用時密封接頭會受到腐蝕。銀焊膏作為一種新型的互連材料被廣泛應用于電子封裝領域中［8-9］，它可以通過電流燒結的方式實現快速連接［10-12］，過程與電阻焊類似，可以實現接頭局部區域加熱，與電阻焊不同的是通電過程不會熔化母材，避免保護鍍層被破壞。

本文提出一種新型的氣密封裝方法，該方法基于銀焊膏電流燒結快速互連技術，可以避免傳統氣密封裝方法的缺點，可以有效降低封裝過程對電子器件本身性能的不利影響，以滿足航天功率器件高可靠性要求。

1 試驗

1.1 試驗材料

本文用于氣密封裝的航天功率分立器件如圖1所示，其中圖1（a）為蓋板，圖1（b）為管殼。管殼和蓋板均由Kovar合金制成，表面鍍有Ni/Au層，用來提高器件的抗腐蝕性能。本文所用銀焊膏由微小銀顆粒和有機物混合而成，有機物包含分散劑、黏合劑和稀釋劑，分散劑用來防止銀顆粒的聚合和團聚，黏合劑用來確保聚合物穩定，稀釋劑用來提高焊膏流動性以便于印刷［13］。

1.2 試樣制備

密封樣品的制備過程包含以下幾個步驟：首先，將焊膏通過鋼網印刷到蓋板上，印刷圖案和尺寸依據管殼上面需要密封的區域；然后對焊膏進行預干燥處理，防止在電極壓力下出現溢出的情況，在90 ℃下預干燥20 min；最后，使用本課題組自行設計的焊接機頭對銀焊膏進行通電燒結，電極壓力設定為10 MPa。試樣的制備過程如圖2 所示。因為溫度對燒結銀接頭性能影響很大，因此用紅熱外相機記錄了電流燒結過程中焊膏層的溫度變化。

1.3 性能表征

利用Hitachi S4800掃描電子顯微鏡對電流燒結銀接頭的微觀結構進行了表征，分析通電過程銀焊膏的變化情況。為了評價接頭的連接質量，采用XTZTECCondor150型剪切試驗機，在4×10-4m·s-1的剪切速度下測定了接頭的剪切強度。為了評估密封電子組件的氣密性，根據GJB 548B—2005標準中規定的方法，利用氦質譜儀對密封電子組件進行泄漏率的檢測與氟油粗檢。

2 結果與討論

2.1 通電過程接頭溫度變化

圖3顯示了在5.0 kA電流條件下通電2 500 ms燒結銀接頭溫度變化曲線，可以明顯地看出來，通電結束前曲線分為兩個階段：快速升溫階段和慢速升溫階段。在快速升溫階段，銀焊膏中含有大量的有機物，導致其電阻較高，通電時會產生大量的焦耳熱。而隨著溫度的不斷升高，焊膏內的有機物會不斷地燒蝕和揮發，會造成銀焊膏電阻下降，電阻的下降造成了升溫速率的降低［11］。圖4為本文所用銀焊膏熱重分析（TGA）結果，當溫度大于300 ℃時，焊膏的質量不再減少，說明焊膏中的有機物已經揮發完畢。通電500 ms時接頭溫度達到了298.5 ℃，焊膏中的有機物基本揮發完畢，導致升溫速率出現了明顯的下降。

2.2 微觀分析

圖5 分別給出了通電時間為200、500、1 500、2 000 和2 500 ms 的燒結銀接頭的微觀圖片。通電200 ms 時，接頭溫度僅到達了170.2 ℃，根據圖4 中TGA 分析，此時銀焊膏內的有機物未完全逸散，有機物會阻礙銀顆粒之間的聚集，從圖5（a）中可以發現此時銀顆粒之間相互獨立，接頭中存在大量分散的銀顆粒，它們彼此之間沒有形成連接。通電500 ms，根據2.1 中的分析，有機物基本完全逸散，銀顆粒之間的接觸程度會增加，如圖5（b）所示，銀顆粒聚集程度增加，銀顆粒之間出現了頸連，但是仍然存在分散的銀顆粒。繼續增加通電時間，彼此接觸的銀顆粒會通過擴散逐漸形成頸連接，并且接頭溫度也會繼續增加，溫度越高越有利于銀原子的擴散，銀顆粒之間的充分擴散有利于銀焊膏的充分燒結，從而促進了燒結銀接頭的致密化［14］，越致密的燒結接頭越有利于提高接頭的性能。如圖5（c）、（d）和（e）所示的燒結接頭中獨立的銀顆粒逐漸消失，銀顆粒之間的連接程度逐漸增加，燒結銀接頭越來越致密。

除此之外，有研究表明燒結銀接頭的屈服強度會隨著溫度的升高而減小［15］。Mei 等人［16］研究銀焊膏電流燒結接頭的致密化機制發現當接頭的溫度超過400 ℃，燒結銀接頭在電極壓力的作用下會發生塑性變形，大的或者連續的孔洞會被變形的顆粒分割、填充并被擠壓閉合，燒結銀接頭進一步致密化。當通電2 500 ms 時，接頭的溫度達到了403.4 ℃，在如此高的溫度下，燒結銀接頭會在10 MPa 的電極壓力下發生塑性變形，消除一些連續的孔隙，從而增加了銀顆粒之間的接觸面積，從而增強了致密化。圖5（e）所示通電燒結2 500 ms 的接頭中孔隙趨于閉合，形成了非常致密的接頭。致密程度越高越有利于提高接頭的剪切強度，同時對提高密封性能也有好處。

此外，通電500 ms時接頭溫度達到了298.5 ℃，根據TGA曲線，此時焊膏中的有機物幾乎完全揮發。而根據微觀形貌分析，此時燒結銀接頭未致密化，接頭中有大量的孔隙，未形成密封接頭，揮發的有機物可以很容易地逸散至腔體外。有機物揮發完全后，燒結銀接頭才逐漸致密化形成密封接頭。因此，在形成致密的密封接頭之前，有機物可以很容易地逸散至腔體外，氣密封裝后樣品內部幾乎無有機物殘留。

2.3 接頭強度

圖6給出了不同通電時間下燒結銀接頭的剪切強度，當通電1 000 ms時接頭強度僅僅為11.1 MPa。隨著通電時間的增加，燒結銀接頭的剪切強度不斷增加。通電時間增加到1 500 ms，剪切強度增加到25.2 MPa。通電時間進一步增加，通電2 000 ms和2 500 ms時，剪切強度分別為38.6 MPa和46.5 MPa。接頭溫度隨著通電時間的增加而不斷增加，溫度越高越有利于銀原子的擴散［17］，從而越有利于銀焊膏的充分燒結。因此，燒結接頭會隨著通電時間的增加越來越致密，使得接頭的剪切強度也會隨著通電時間的增加而增大。剪切測試結果與微觀分析結果一致。

2.4 氣密性表征

氣密封裝最關鍵的是要保證接頭的密封性能，如果接頭中存在明顯的氣孔或裂紋等缺陷，那么無法保證封裝器件的氣密性。利用超聲掃描顯微鏡面掃描模式（C-scanning acoustic microscope，C-SAM）對燒結銀層進行檢測，觀察是否有氣孔、裂紋等缺陷。5.0 kA 下通電2 500 ms的燒結銀接頭的C-SAM檢測結果如圖7所示，其中外圍深色的環形區域表示燒結銀密封環，可以看出密封環顏色均勻一致，表明燒結銀層無明顯的裂紋和孔洞等缺陷。燒結銀層與蓋板和管殼的界面緊密結合，未發生分層。

為了定量地分析銀焊膏電流燒結氣密封裝器件的氣密性，利用氦質譜儀對密封器件進行了泄漏率的檢測，6個密封樣品的泄漏率值見表1。檢測的樣品中泄漏率最大值為3.6×10-3Pa·cm3·s-1，低于GJB 548B—2005規定的拒收泄漏率極限5.0×10-3Pa·cm3·s-1（拒收極限依據密封腔體體積）。并且6個樣品經過氟油粗檢時，未發現有連續的氣泡從腔體中冒出，表明粗檢合格。

表1 泄漏率檢測結果Tab.1 Result of leak rate testing

3 結論

本文基于銀焊膏電流燒結快速互連技術對航天功率分立器件進行了氣密封裝，分析了電流燒結過程中接頭溫度的變化情況，結合溫度變化分析了通電過程中銀焊膏燒結的過程以及接頭剪切強度的變化情況，最后對該氣密封裝方法的密封性能進行了表征，得出以下結論：

（1）在通電燒結的過程中，焊膏層的升溫速率隨著有機物的排出而急劇下降。

（2）焊膏中的有機物排出以后，原本被有機物隔離的銀顆粒之間開始相互接觸，并逐漸形成頸連接。通電時間繼續延長，溫度繼續上升，銀顆粒之間的連接越來越明顯，接頭逐漸致密化。

（3）與燒結銀接頭微觀結構變化情況一致，接頭的剪切強度隨著燒結銀致密程度的提高而增加。

（4）基于銀焊膏電流燒結氣密封裝的航天功率分立器件的氣密性達到標準要求。