一个完美密封的电子封装器件可在数十年内持续发挥预定功能，不出现性能中断、错误或显著下降。然而，设计与现场工程师需采用正确的材料、密封剂、工具设备及工艺步骤，才能为新一代半导体驱动型电子封装实现这种高性能水平。优质密封封装所带来的信心，终将推动开发出功能更强大的芯片。（更多电子陶瓷精彩内容敬请关注7月3日艾邦第四届多层陶瓷（LTCC/HTCC/MLCC）产业论坛）
气密封装是半导体芯片封装的关键工艺。此处的"气密"指完全防泄漏的密封。半导体芯片经历晶圆切割成独立芯片，最终装入分立式封装的多道工序。这些芯片通过贴装环氧树脂或共晶焊料牢固固定在焊盘上，再通过极细导线与陶瓷封装焊盘实现电气连接。
陶瓷封装——实质是"芯片载体"——通常为多层结构，陶瓷体内含电气穿通孔。这些层内连接至封装底部或侧边，以便与其他电气元件共同安装到印刷电路板上。可用的芯片封装类型包括带引线芯片载体(LCC)、陶瓷四边扁平封装(CQFP)、四边扁平封装(QFP)等多种。
▲ 陶瓷封装通过平行电极缝焊熔融封盖实现密封
▲带密封环、键合丝与芯片焊盘的陶瓷封装
▲ 贴装芯片的陶瓷封装
▲ 含密封环尺寸的陶瓷封装
内含芯片和键合丝的陶瓷封装必须进行气密性密封，以防止湿气或松散颗粒等污染物侵入。气密封装工艺直接决定了组装器件的运行可靠性。下图展示了半导体芯片及其数百根超细键合丝（直径最小达0.0007英寸/17.78微米），芯片尺寸从数毫米到数十毫米不等，键合丝数量随芯片尺寸增加而增多。
▲ 封装盖板与焊料设计准则
▲ 金锡相图
▲陶瓷封装、焊料框架与镀金属盖板的分解视图
分立芯片中的微机电系统(MEMS)含有肉眼不可见的超精密齿轮、钟表机构及运动执行器。任何沉积颗粒都可能干扰其性能。同样，高密度键合丝之间若存在导电颗粒或湿气，也将导致故障。这进一步凸显了封装组件气密性的重要性。
在聚焦密封工艺前，需了解材料特性、局限性、设计准则、存储及处理流程。
▲ 镍金四层顺序电镀截面图
例如，陶瓷封装类型有以下几种：
- 表面贴装陶瓷封装
- 陶瓷针栅阵列封装
- 陶瓷四边扁平封装
- 陶瓷混合封装
- 光纤通信封装
- 粘接材料或焊料
- 待封装元件：芯片、贴装材料、键合丝等
根据气密性要求等级，封装采用一种或两种密封工艺：金属盖板缝焊或镀金属盖板钎焊。
▲镍迁移过程示意图
▲ 框架盖板组装结构
▲四角点焊位置示意
金属盖板缝焊
该可靠工艺通过一对圆形电极沿盖板边缘移动，熔化并熔合至封装密封环区域。适用场景包括：
- 半导体芯片不耐受高热（缝焊提供局部边缘加热）
- 用户无回流焊炉设备
射频应用（RF封装）且气密性要求较低
镀金属盖板钎焊
此工艺同样可实现高可靠性气密封装，并通过多道密封后测试验证有效性。
所有封装类型均涉及芯片焊盘、键合焊盘和密封环等通用要素。图3展示了陶瓷封装的关键结构特征。
▲ 带式炉气密封装关键参数控制与建议
芯片贴装焊盘
半导体芯片通过共晶焊料合金或环氧树脂固定于此区域。环氧贴装胶通常含树脂和固化剂，需充分混合后涂覆于焊盘。芯片加压贴装以启动润湿并排除粘接材料中残留气体，随后高温固化。此过程需精准控制，防止变形。
88Au12Ge和80Au20Sn可作为共晶焊接材料，熔点分别为361°C和280°C（实际设定温度需考虑工装的热损耗）。二者均为纯合金，不含粘合剂。
材料选择需考虑芯片与接触材料的热膨胀系数(CTE)，并严格界定熔融与固化温度条件。
▲ 真空炉内腔示意图
芯片贴装后密封条件
需验证焊接可靠性并排除残留气体。供应商应提供除有机物/粘合剂的固化指导。否则钎焊过程中可能释放氢饱和烃或湿气，残留气体会损害器件电气性能与寿命。
实现无空隙粘接需精密控制贴装工艺。后密封验证成本高且结果易失真，必须严格管理存储条件、有效期、混合比例、使用时长及单班用量，并防范环境湿气侵入。
▲ 金锡回流曲线
高效气密封装分步指南，成功密封取决于以下要素：
- 封装密封环设计准则
- 密封剂与盖板材料选择
- 密封方法与工艺控制
- 气密封装后测试与故障排除
- 新一代封装材料选择
- 密封环设计准则
封装体密封环设计指南:
设计时需考虑气密封装盖板 及其焊料的尺寸。外密封环、金属盖板 (metal lid) 和金锡焊料框架 是关键的设计要素。
盖板尺寸： 若封装体密封环的外部长宽为 0.500 英寸见方，则盖板尺寸应为 0.500 英寸 - 0.010 英寸 - 0.010 英寸 = 0.480 英寸见方。
金锡焊料内尺寸： 接下来需确定金锡焊料的内部尺寸。为此，必须同时考虑密封环的内、外尺寸。若密封环内部尺寸为 0.400 英寸见方，则金锡焊料的内部尺寸应为 0.400 英寸 + 0.010 英寸 + 0.010 英寸 = 0.420 英寸见方。
内外半径对于整体设计、焊料厚度 和盖板厚度也是设计要点， 0.010 英寸间隙取决于密封环区域的可用空间 ，对于外部间隙 (outer gap)，此值可低至 0.002 英寸。若密封环本身较窄，内部密封环区域的间隙值也可接近此低值 (0.002 英寸)。
▲ 左图：施加压力后的组装。右图：采用焊锡圆角进行后密封。
密封剂材料选择
适用于防漏气密接头的焊料合金和共晶焊料有多种选择。金锡合金（Au80Sn20）被证明在金属盖板与陶瓷/金属封装体的键合中表现尤为出色。该合金熔点为280°C，在温度循环测试中展现出优异的可靠性。
表中提到，这种80%金/20%锡焊料的生产过程中必须确保高纯度，以及成分比例在其标称重量百分比范围内，以实现良好的连接性能。
- 金锡纯度：降低导热性。
- 金锡污染：氧化物、有机物。
- 金锡界面接触面积。
盖板材料选择
金属封盖通常使用由铁、镍和钴组成的合金，亦称为ASTM F-15材料。为了让金锡焊料与封装良好连接，封盖必须经过妥善处理。如果封盖铁（Fe）含量超过50%，则可能随着时间氧化。裸露封盖无法实现金锡焊料润湿，因此可靠的金镀层显得至关重要。
封盖通过电镀方式先镀100到350微英寸厚的镍层，随后镀约50微英寸厚的金层。针对高可靠性应用，会额外镀更多的镍和金，但总镍层厚度不得超过450微英寸，金镀层的厚度至少需达到50微英寸。这种设计旨在避免边缘形成过厚的堆积，以确保气密焊接质量。
镀层的有效性
电镀过程极其关键。例如应避免镀层边缘的堆积。同时必须维护电镀溶液和化学成分的稳定性。需要指出的是，这种镀层并非为了美观，而是专门为高质量的气密封装设计的，同时需要良好的焊接性。电镀维护不善可能导致气体被困在镀层中。
后电镀测试可用于验证镀层质量，特别是测定镀层中氢含量。为了预防问题，应定期进行电镀槽维护和镀液的化学成分检测。完成电镀后，通常也会进行最后阶段低温退火处理（温度在120℃到150℃之间，持续8至12小时）。
注意，长期高温退火可能导致镍层向金层迁移，从而干扰焊锡的润湿性。金锡合金焊料无法与镍润湿。如果镀层过薄或表面孔隙率较高，则更容易导致镍迁移现象。
密封方法与工艺控制
定位焊或点焊：在最终密封之前，必须通过定位焊或点焊将金锡合金焊料固定到镀有镍金的盖子上。这对于避免错位和其他可能影响气密封装质量的缺陷至关重要。同时，这种工艺也为用户带来便利，使其可以首先将框架和封盖作为一个组件进行组装，再进入最后密封步骤。定位焊需要将少量的金锡共晶焊料熔化并固定在盖子的四个角上。
回流设备和工艺控制：在封装之前，必须选择合适的回流焊设备。金锡合金或其他焊料的气密密封需要在惰性环境中进行，否则氧化可能影响密封的完整性。如果使用带式炉（belt furnace），必须对维护和密封曲线进行良好监控。回流炉内的氧气含量需实时监测和控制。选择真空回流炉可进一步去除不必要的气体。无论选择何种设备，其性能最终将决定气密封装的质量。
金锡合金密封曲线：以下是金锡合金密封曲线的关键考虑点：
升温速率：升温速率应逐步且缓慢，以促进释放组件内部的气体，同时避免镍的迁移。快速升温可能导致镀层多孔部分的镍迁移。在真空炉中，可以排空所有逸出的气体，而在带式炉中可以通过充入氮气抑制类似的问题。
峰值温度：金锡焊料的熔点温度为280℃。密封组件及其工装夹具可能会吸收部分热量。如果焊料及盖子温度达到峰值，目标包括：彻底移除气体、焊料完全流动、形成焊料圆角接缝、消除针孔或空隙。暴露峰值温度的时间需根据产品尺寸、装配工具和工艺情况而定。在关键工艺未完成时减少暴露时间可能会出现故障模式，这可以通过目视检查、漏气测试或X射线检测观察到。
降温过程：降温过程必须逐步进行，突然冷却或从炉内移除产品可能会产生不利影响。
适当的压力：为了确保金锡合金形成良好的气密连接，需要施加足够的压力进行密封。通常约需0.5至4千克力的压力。在所有工艺中，压力从盖子传递到金锡密封环，尤其在高温阶段推动盖子并挤压熔化的焊料形成圆角封边非常重要。
封装夹具
封装夹具类型多样，且可根据封装类型和生产量定制。对齐夹具的设计也非常关键，尤其是面对提升生产量的需求时。
后密封可靠性测试用于验证工艺和材料选择的有效性。这些测试按多个等级逐一进行。所有测试的详细信息可参见标准MIL-883指南。
下一代封装材料选项。这些测试的目的是验证气密封装的成功性。同样，一个有效的封装过程可以显著延长封装的使用寿命，尤其是在严酷环境中无法进行更换或维修的应用场景（如卫星或航天器上的板级模块）。
适用于下一代气密封装的多种新材料和工艺正在涌现。例如，用于光学通信的透明封盖；用于电磁干扰噪声控制的非磁性封盖；以及用于捕集封装内部释放的氢气的吸氢封盖。这些创新的封装技术和材料为提升可靠性提供了更多选择。
文章内容来源：《电力电子世界》2024 年第 1 期
原文链接：https://powerelectronicsworld.net/magazine/560
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