李萌萌，李兆營，黃添萍

（安徽光智科技有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引 言

目前探測(cè)器封裝技術(shù)可分為芯片級(jí)、晶圓級(jí)和像元級(jí)封裝［1，2］。其中，晶圓級(jí)封裝是對(duì)整片晶圓片進(jìn)行操作，因其具有封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低且與半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是目前器件封裝領(lǐng)域最有前景的技術(shù)［3～5］。為了提高非制冷紅外焦平面探測(cè)器器件性能，延長使用壽命，需要器件在真空環(huán)境下進(jìn)行工作，因此對(duì)封裝氣密性要求較高［6］。

晶圓級(jí)封裝工藝分為光刻、深硅刻蝕、鍍膜（焊料層、增透膜以及吸氣劑等膜層）、剝離、鍵合等步驟［7］。其中，焊料層的膜層質(zhì)量決定了鍵合質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響探測(cè)器的氣密性。金錫共晶（Au80Sn20）因其良好的剪切強(qiáng)度、抗熱疲勞性能、抗氧化性以及高焊接可靠性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝工藝中焊料層的制備［8～10］。Au80Sn20焊料的沉積技術(shù)主要分為電子束蒸發(fā)和電鍍［11］。電子束蒸發(fā)制備Au80Sn20焊料主要有2 種方式：1）交替分層蒸發(fā)金（Au）和錫（Sn）膜層，然后通過退火處理形成Au80Sn20焊料；2）共蒸發(fā)即同時(shí)蒸發(fā)Au、Sn 顆粒實(shí)現(xiàn)共沉積，工藝簡(jiǎn)單不需要后續(xù)退火過程。

本文采用共蒸發(fā)法制備Au80Sn20焊料，在剝離后得到焊料環(huán)，并與非制冷紅外探測(cè)器芯片鍵合。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）、X 射線（X-ray）、振蕩測(cè)試及測(cè)漏率等方式，驗(yàn)證焊料環(huán)質(zhì)量。

1 Au80Sn20焊料環(huán)制備與測(cè)試方法

1.1 Au80Sn20焊料環(huán)的制備

如圖1所示，在直徑200 mm的Si（100）晶圓上通過光刻工藝刻出所需焊料環(huán)的形狀，采用電子束蒸發(fā)法先沉積150 nm 作為粘附層的鈦（Ti）和180 nm 作為阻擋層的鎳（Ni），再沉積5000 nm Au80Sn20焊料，Au80Sn20為混合均勻的質(zhì)量比為4∶1的Au顆粒和Sn顆?；旌狭?，放置在坩堝槽內(nèi)，坩堝槽材質(zhì)為鎢（W）。膜層沉積后剝離去掉多余焊料，留下鍵合所需焊料環(huán)，與芯片晶圓進(jìn)行鍵合。電子束蒸發(fā)沉積Au80Sn20焊料的工藝參數(shù)為：電子槍電壓10 kV，真空度低于1.0 ×10-3Pa，蒸發(fā)速率0.7 nm／s。

圖1 Au80Sn20焊料環(huán)制備及鍵合工藝示意

1.2 Au80Sn20焊料環(huán)的測(cè)試方法

使用冷場(chǎng)發(fā)射SEM觀察鍵合前后的Au80Sn20焊料環(huán)形貌，并使用EDS 分析焊料環(huán)成分，測(cè)試時(shí)的加速電壓為5 kV。使用原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）分析焊料環(huán)的三維表面形貌，掃描范圍為3 μm×3 μm。使用X-ray檢測(cè)觀察焊料環(huán)鍵合后及振蕩測(cè)試前后的形貌，振蕩測(cè)試使用的是航天希爾的電振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，型號(hào)是IPA60H／LS437A／GT500M。使用測(cè)漏儀測(cè)焊料環(huán)鍵合后的漏率，型號(hào)是SRO-706。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Au80Sn20焊料環(huán)微觀形貌分析

電子束蒸發(fā)沉積膜層前的預(yù)熔階段，使Au、Sn 顆粒熔化并浸潤，從表1 中可以看出，Au／Sn質(zhì)量比為3.69，可以認(rèn)為焊料環(huán)成分為Au80Sn20。如圖2（a）所示，Au80Sn20焊料環(huán)厚度、形貌均勻，但焊料的沉積過程分為2個(gè)坩堝槽進(jìn)行，且合金的凝固過程很快，所以有一條明顯的分界線。

表1 鍵合前的Au80Sn20焊料環(huán)的Au和Sn質(zhì)量比值

圖2 鍵合前／后的Au80Sn20焊料環(huán)SEM形貌

從圖2（b）中可以看出，完成所有工藝的蓋帽晶圓與芯片晶圓在真空中進(jìn)行鍵合（溫度：290 ℃，壓力：3 000 N）后，焊料層分界線消失，內(nèi)部組織看上去更加均勻。Sn的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于Au，因此，在鍵合過程中的高溫作用下，焊料環(huán)外層的Sn含量會(huì)逐漸增加形成δ相（AuSn），中間層的Sn含量會(huì)逐漸減少形成ξ 相（Au5Sn），表2 中的Au／Sn 原子比驗(yàn)證了此結(jié)論。

表2 鍵合后的Au80Sn20焊料環(huán)的Au和Sn原子比值

2.2 Au80Sn20焊料環(huán)表面形貌分析

如圖3（a）所示，焊料環(huán)在鍵合前厚度分布均勻，粗糙度較小，且十分致密，這為后續(xù)鍵合提供了良好的基底條件，降低了焊料鍵合時(shí)出現(xiàn)空洞等缺陷的概率。從圖3（b）中可以看出，焊料環(huán)鍵合后粗糙度增加，這可能是在鍵合過程中，由于溫度的升高和壓力的增大，焊料不斷地鋪展和相互浸潤，晶粒相互結(jié)合形成更大的晶粒，從而導(dǎo)致粗糙度的增加。

圖3 鍵合前／后的Au80Sn20焊料環(huán)AFM形貌

2.3 Au80Sn20焊料環(huán)鍵合后質(zhì)量分析

如圖4（a）所示，鍵合后的焊料環(huán)無空洞、斷裂等明顯缺陷［12］，僅存在輕微溢料現(xiàn)象［13］。溢料現(xiàn)象說明焊料環(huán)在鍵合過程中正常熔化鋪展，如圖4（b）和圖4（c）所示，焊料環(huán)經(jīng)過振蕩測(cè)試，溢料顆粒無脫落、無位移，不會(huì)影響芯片正常使用。經(jīng)測(cè)氦漏測(cè)試，鍵合后芯片的密封性可以達(dá)到1 ×10-3Pa／（cm3·s），滿足探測(cè)器氣密性要求［8］。

圖4 鍵合后和振蕩前／后的Au80Sn20焊料環(huán)X-ray形貌

3 結(jié) 論

采用電子束蒸發(fā)法同時(shí)蒸發(fā)Au、Sn 顆粒制備了Au80Sn20焊料薄膜，與探測(cè)器芯片鍵合后，通過SEM、AFM、X-ray、振蕩測(cè)試以及測(cè)氦漏等方式進(jìn)行表征，結(jié)果如下：1）鍵合后焊料環(huán)中間成分為Au5Sn，邊緣成分為AuSn，鍵合后晶粒相互結(jié)合長大；2）鍵合后焊料環(huán)無明顯缺陷，出現(xiàn)少量溢料，經(jīng)振蕩測(cè)試，溢料無脫落、無位移，對(duì)焊料良率無影響；3）鍵合后探測(cè)器芯片氣密性達(dá)1 ×10-3Pa／（cm3·s），滿足使用要求。