混合集成电路金属外壳—玻璃封接工艺优化及机理分析

杨文波，王宇飞＊，宋 瑞，韩坤炎，程 坤

（西安赛尔电子材料科技有限公司，陕西 西安 710201）

集成电路产业作为战略性、基础性和先导性产业，是国家信息安全保障和经济社会发展的关键[1]。玻璃与金属的封接是制备混合集成电路外壳的重要环节，其封接特性直接影响到封接器件的气密性、可靠性以及绝缘性等各项性能。在一定的高温下，高粘度的玻璃液会与金属的表面发生一系列化学反应，在两者的界面处形成化学键[2-4]，化学键的形成过程与玻璃组分联系紧密。因此当玻璃的热膨胀系数满足封接要求时，玻璃的化学组成以及封接工艺条件对于封接性能都有着至关重要的影响。

本文选取SiO2-B2O3-Al2O3系封接玻璃作为基础玻璃材料，通过前期的实验研究，采用外加Cr2O3的方式，制备出添加Cr2O3的SiO2-B2O3-Al2O3系适用于混合集成电路金属外壳用封接玻璃，进一步研究混合集成电路的封接工艺对封接性能的影响，通过对产品气密性、绝缘电阻、耐电压、封接拉力等性能分析，确定制备混合集成电路金属外壳的最佳封接工艺参数。

1 实验

1.1 润湿角性能实验

通过“纽扣实验”研究玻璃和混合集成电路金属外壳之间的润湿角随封接温度的变化，通过润湿角的大小来测定玻璃的封接温度范围。

1.2 封接行为实验

采用链式气氛烧结炉进行封接，烧结温度分别选定900℃～1000℃，高温区烧结时间30min，升温、高温、降温、冷却进氮区氮气流量分别为25、25、45、45L/min，出口气幕氮气流量为60L/min条件下进行实验。

1.3 性能和特征分析

采用国产型号为“SFJ-231”氦质谱检漏仪对封接产品气密性进行检漏；采用型号为“MS2670DN”耐电压测试仪进行耐压测试；采用型号为“UT512”绝缘电阻测试仪进行绝缘性能测试；采用型号为“WDW-100”电子万能试验机对产品的封接拉力进行测试分析。采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型扫描电镜对经过封接产品试样的表面形貌和显微组织进行检测分析。

2 结果与讨论

2.1 玻璃与金属之间的润湿性能研究

通过“纽扣实验”研究封接玻璃和金属外壳之间润湿角随温度的变化规律，确定最佳封接温度，玻璃和金属外壳之间的润湿角随温度变化如表1所示。

表1 不同温度下玻璃与金属之间的润湿角(保温30min)

结合表1和图1可以看出，当温度低于960℃，玻璃与金属之间的润湿角随温度的升高逐渐减小，960℃时，玻璃与金属之间的润湿角为40.3°，此时，润湿角小于45°。当温度升高至980℃时，润湿角反而略有增大，温度升高至1000℃时，润湿角升高到46.2°。当可伐合金封接温度低于920℃，合金表面氧化层较薄，氧化程度较弱，氧化膜的主要成分为FeO。当炉温升高至960℃，由于炉中微氧化气氛的存在，氧化膜厚度继续增加，氧化膜中的Fe3O4和Fe2O3含量不断增多，氧化膜的外层部分Fe3O4溶解到玻璃中，高价氧化物Fe3O4化学键与玻璃类似，亲和性较好，均与可伐合金结合牢固。当温度升至980℃，润湿角反而有所增大，由于温度的持续升高，氧化膜越来越厚，结构疏松，粘附性变差，导致与玻璃的粘度逐渐降低，此时氧化膜更易溶解到玻璃中，间接降低内层FeO含量，氧化膜层容易在金属表层脱落，湿润性能降低；当温度升至1000℃，润湿角继续增大，润湿性能持续变差，此时玻璃黏度更低，金属表面的氧化膜继续增厚，并且氧化膜外层中的Fe2O3含量更多，内层FeO含量继续降低，金属表面的氧化层更容易脱落[5-7]，所以此时玻璃与金属之间的润湿角继续增大，润湿性能进一步变差。

图1 封接温度对润湿性的影响

2.2 封接温度确定

封接是玻璃熔化后填充两者之间的间隙或在金属表面上完全铺展开，实际上就是玻璃液与金属表面发生化学反应生成化学键的过程[8]，而烧结指的是在一定的温度下，材料内部固—固相之间或者固—液相之间进行反应的一个过程，烧结温度在材料的软化点附近开始，低于熔融温度下进行[9]。

从表1可以看出，随着玻璃封接温度逐渐提高到960℃，玻璃与金属的润湿角开始小于45°，满足玻璃与金属封接。为确定最佳的封接温度，将装配好的混合集成电路金属外壳置于链式气氛烧结炉中在不同温度下进行封接，封接完成以后对产品进行检测结果如表2所示。

表2 不同封接温度下混合集成电路金属外壳的封接质量

从表2可以看出，1#、2#、3#封接温度偏低，玻璃流动性较差，难以润湿金属壳体，封接处漏封，经过气密性检测，发生漏气，绝缘电阻以及耐电压测试、封接强度及抗热震性等指标均未达标；4#封接温度适宜，玻璃与金属润湿良好，可填满封接区域，且玻璃表面无气泡，封接拉力达到389N，气密性、电绝缘性能以、耐电压测试及抗热震性等均达到标准要求；5#和6#的封接温度较高，玻璃可以填满封接区域，但温度过高，玻璃中的气体不能达到一个平衡状态，表面存在较多气泡，尤其是6#样品，表面甚至出现开口气泡，气密性检测漏气，且5#和6#样品经抗热震性能检测，芯柱与玻璃封接界面处均出现裂纹，封接温度高导致金属氧化过度，氧化层过厚易脱层，芯柱抗拉强度出现下降趋势。因此，最佳封接温度为960℃，与玻璃和金属之间的润湿角测试结果一致。

2.3 封接件的微观区域分析及机理分析

采用线切割的方式将封接完成后的区域切割，并经水砂纸进行预磨和抛光，去离子水和酒精依次清洗表面，烘干后进行扫描电镜观察分析。

2.3.1 封接件的扫描电镜分析

图3（a）为封接玻璃体的扫描电镜图，图3（b）为玻璃体和壳体的扫描电镜图。从图3（a）可以看出，封接完成后的玻璃体致密，无裂纹等缺陷，内部仅出现个别小的气泡，未形成连续的气泡，且分布散开，封接效果良好。图3（b）可以看出，玻璃体和壳体之间的封接界面轮廓清晰，连接紧密，连接处没有气泡，因此封接强度较高。

图3 (a)封接玻璃体的扫描电镜图

图3 (b)玻璃体和壳体的扫描电镜图

2.3.2 封接界面处的EDS能谱分析

图4为壳体和玻璃体连接界面的能谱图，插图为试样能谱分析的扫描电镜图。从图5可以看出，壳体一侧的Fe元素含量较多，到封接界面处Fe元素含量并未直接消失，呈现逐渐减少的趋势，此时玻璃一侧的Si元素含量也逐渐减少，延伸到壳体一侧。表明在封接过程合中金的Fe元素迁移扩散到玻璃中，玻璃中主要是Si元素的迁移，两者形成铁硅化合物。高温封接过程中，金属表面的氧化物层（主要是Fe的氧化物层）逐渐溶解到玻璃液中，并在与壳体。接触的玻璃表层形成一定的浓度梯度，随着表层氧化物不断溶解到玻璃液中，一方面表层氧化物的含量逐渐减少，内部的金属又不断被氧化，另一方面扩散到玻璃中的Fe元素与玻璃中的Si元素反应生成铁硅化合物，同时玻璃中的高活性氧化物Cr2O3也会促进这种氧化还原反应不断进行[10]，随着时间的延长，与金属接触的玻璃表面中Fe含量达到饱和状态，此时整个界面之间的化学反应也会达到平衡，玻璃与金属之间形成稳定的化学键[11，12]，完成壳体与玻璃的封接。

图4 壳体和玻璃体连接界面的能谱图；插图为试样能谱分析的扫描电镜图

3 结论

（1）960℃时玻璃与金属的润湿性能最好，封接件在置于链式气氛烧结炉中在960℃下高温区保温30min后可完成高质量封接，封接高温区域的氮气通入量为45L/min。

（2）对封接后混合集成电路金属外壳进行性能检测，其泄漏率≤1.0×10-9Pa•m3/s、绝缘电阻≥5.0×109Ω（DC：500V）、耐电压≥5000V，封接拉力≥389N，各项物理性能指标优异，满足使用需求。

（3）EDS结果显示，封接后玻璃与金属中的元素相互迁移，在封接界面处形成金属键、离子共价键共存的混合区域，封接效果显著提升。