半导体器件钎焊的可靠性分析与优化

半导体元器件焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道[15]。此外，半导体芯片服役过程中承受复杂的力、热、电载荷，且一个焊点的失效就会导致整个系统失效，因此钎焊的可靠性至关重要。钎焊质量和热变形是影响半导体器件钎焊可靠性的主要因素。钎焊质量可直接影响可靠性，而由于半导体芯片与管壳之间会因元器件材料和钎料线胀系数不匹配产生应力，使热变形成为影响钎焊可靠性的重要因素^[1]。

钎焊质量良好的标志是芯片与封装体焊接面之间的界面牢固、平整和没有空洞等缺欠。检查钎焊质量的方法是：首先观察钎料是否充分熔化，再通过检查抗剪强度、导热情况（用热阻大小表示）和导电情况（器件压降）来判断钎焊质量。还可将芯片剥离，观察芯片背面和基座间的共晶面（如未形成合金的镀金层是黄色，共晶面是银白色）。钎焊质量良好的接头共晶面的面积应不低于芯片背面面积的75%。采用超声波检测法，能够在不破坏元器件的情况下精确地检测出焊接区域内缺欠的位置和大小。

与其他钎焊工艺相同，影响半导体钎焊质量的因素有很多，如钎料氧化、钎焊界面氧化膜、钎焊时间不足、钎焊温度偏低，被焊物件镀金层疏松、发红、不平整，焊接性差等引起的焊接不牢、虚焊、冷焊、气孔、钎料瘤、钎料堆积、空洞、芯片划伤、裂纹和侧面短路等。上述缺欠会导致芯片与基片间欧姆接触不良，影响电流在器件中的分布，增加热阻，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁，给器件的可靠性带来极大隐患。其中虚焊和空洞是造成欧姆接触不良的主要原因，空洞会引起电流密集效应，在它附近有可能形成不可逆的，破坏性的热电击穿^[15]。钎焊接头常见的质量问题、产生原因及控制措施见表13-8。

表13-8 钎焊接头常见的质量问题、产生原因及控制措施Table 13-8 Causes and control measures of quality problems in solder joints(www.xing528.com)

热变形不匹配对半导体器件造成的损伤主要表现有两种：一是半导体芯片在这种热不匹配导致的热应力作用下破裂，或在焊接处产生层界面裂纹即脱层失效；二是钎料在这种热应力作用下发生蠕变^[6]。对于熔点较低的软钎料，根据钎料蠕变理论，蠕变将导致钎料层内产生空洞和裂纹并同时在界面形成裂纹，最终使器件热阻增大并使器件局部过热乃至烧毁。对于熔点较高的硬钎料系统而言，比如AuSn钎料，在循环热应力的作用下，钎料本身不会发生疲劳失效，热应力对器件的损伤则主要表现为第一种形式^[6]。与一般的焊接不同，由于半导体芯片尺寸较小，芯片破碎的概率很小，但芯片与钎料之间存在的热应力会对芯片的性能产生很大的影响，严重时也会使器件失效。

为提高半导体钎焊器件的可靠性，需要提高钎焊质量和合理选择钎料，并设计良好的散热通道，避免热量积累，使多层结构因温度变化产生的热应力降至最低。