共蒸发法制备金锡共晶焊料环及其性能研究

李萌萌，李兆营，黄添萍

（安徽光智科技有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引 言

目前探测器封装技术可分为芯片级、晶圆级和像元级封装［1，2］。其中，晶圆级封装是对整片晶圆片进行操作，因其具有封装结构简单、效率高、成本低且与半导体工艺兼容等优点，是目前器件封装领域最有前景的技术［3～5］。为了提高非制冷红外焦平面探测器器件性能，延长使用寿命，需要器件在真空环境下进行工作，因此对封装气密性要求较高［6］。

晶圆级封装工艺分为光刻、深硅刻蚀、镀膜（焊料层、增透膜以及吸气剂等膜层）、剥离、键合等步骤［7］。其中，焊料层的膜层质量决定了键合质量的好坏，进而影响探测器的气密性。金锡共晶（Au80Sn20）因其良好的剪切强度、抗热疲劳性能、抗氧化性以及高焊接可靠性等优势，广泛应用于半导体封装工艺中焊料层的制备［8～10］。Au80Sn20焊料的沉积技术主要分为电子束蒸发和电镀［11］。电子束蒸发制备Au80Sn20焊料主要有2 种方式：1）交替分层蒸发金（Au）和锡（Sn）膜层，然后通过退火处理形成Au80Sn20焊料；2）共蒸发即同时蒸发Au、Sn 颗粒实现共沉积，工艺简单不需要后续退火过程。

本文采用共蒸发法制备Au80Sn20焊料，在剥离后得到焊料环，并与非制冷红外探测器芯片键合。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）、X 射线（X-ray）、振荡测试及测漏率等方式，验证焊料环质量。

1 Au80Sn20焊料环制备与测试方法

1.1 Au80Sn20焊料环的制备

如图1所示，在直径200 mm的Si（100）晶圆上通过光刻工艺刻出所需焊料环的形状，采用电子束蒸发法先沉积150 nm 作为粘附层的钛（Ti）和180 nm 作为阻挡层的镍（Ni），再沉积5000 nm Au80Sn20焊料，Au80Sn20为混合均匀的质量比为4∶1的Au颗粒和Sn颗粒混合料，放置在坩埚槽内，坩埚槽材质为钨（W）。膜层沉积后剥离去掉多余焊料，留下键合所需焊料环，与芯片晶圆进行键合。电子束蒸发沉积Au80Sn20焊料的工艺参数为：电子枪电压10 kV，真空度低于1.0 ×10-3Pa，蒸发速率0.7 nm／s。

图1 Au80Sn20焊料环制备及键合工艺示意

1.2 Au80Sn20焊料环的测试方法

使用冷场发射SEM观察键合前后的Au80Sn20焊料环形貌，并使用EDS 分析焊料环成分，测试时的加速电压为5 kV。使用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）分析焊料环的三维表面形貌，扫描范围为3 μm×3 μm。使用X-ray检测观察焊料环键合后及振荡测试前后的形貌，振荡测试使用的是航天希尔的电振动试验系统，型号是IPA60H／LS437A／GT500M。使用测漏仪测焊料环键合后的漏率，型号是SRO-706。

2 实验结果与分析

2.1 Au80Sn20焊料环微观形貌分析

电子束蒸发沉积膜层前的预熔阶段，使Au、Sn 颗粒熔化并浸润，从表1 中可以看出，Au／Sn质量比为3.69，可以认为焊料环成分为Au80Sn20。如图2（a）所示，Au80Sn20焊料环厚度、形貌均匀，但焊料的沉积过程分为2个坩埚槽进行，且合金的凝固过程很快，所以有一条明显的分界线。

表1 键合前的Au80Sn20焊料环的Au和Sn质量比值

图2 键合前／后的Au80Sn20焊料环SEM形貌

从图2（b）中可以看出，完成所有工艺的盖帽晶圆与芯片晶圆在真空中进行键合（温度：290 ℃，压力：3 000 N）后，焊料层分界线消失，内部组织看上去更加均匀。Sn的熔点远低于Au，因此，在键合过程中的高温作用下，焊料环外层的Sn含量会逐渐增加形成δ相（AuSn），中间层的Sn含量会逐渐减少形成ξ 相（Au5Sn），表2 中的Au／Sn 原子比验证了此结论。

表2 键合后的Au80Sn20焊料环的Au和Sn原子比值

2.2 Au80Sn20焊料环表面形貌分析

如图3（a）所示，焊料环在键合前厚度分布均匀，粗糙度较小，且十分致密，这为后续键合提供了良好的基底条件，降低了焊料键合时出现空洞等缺陷的概率。从图3（b）中可以看出，焊料环键合后粗糙度增加，这可能是在键合过程中，由于温度的升高和压力的增大，焊料不断地铺展和相互浸润，晶粒相互结合形成更大的晶粒，从而导致粗糙度的增加。

图3 键合前／后的Au80Sn20焊料环AFM形貌

2.3 Au80Sn20焊料环键合后质量分析

如图4（a）所示，键合后的焊料环无空洞、断裂等明显缺陷［12］，仅存在轻微溢料现象［13］。溢料现象说明焊料环在键合过程中正常熔化铺展，如图4（b）和图4（c）所示，焊料环经过振荡测试，溢料颗粒无脱落、无位移，不会影响芯片正常使用。经测氦漏测试，键合后芯片的密封性可以达到1 ×10-3Pa／（cm3·s），满足探测器气密性要求［8］。

图4 键合后和振荡前／后的Au80Sn20焊料环X-ray形貌

3 结 论

采用电子束蒸发法同时蒸发Au、Sn 颗粒制备了Au80Sn20焊料薄膜，与探测器芯片键合后，通过SEM、AFM、X-ray、振荡测试以及测氦漏等方式进行表征，结果如下：1）键合后焊料环中间成分为Au5Sn，边缘成分为AuSn，键合后晶粒相互结合长大；2）键合后焊料环无明显缺陷，出现少量溢料，经振荡测试，溢料无脱落、无位移，对焊料良率无影响；3）键合后探测器芯片气密性达1 ×10-3Pa／（cm3·s），满足使用要求。