CN111192839B - 黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法 - Google Patents

黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法 Download PDF

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Abstract

黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法，该方法包括①根据水汽存在位置针对性地去除水汽，清洗后的管壳放入远红外烘干炉进行表面烘干；②在装结工序前进行矩阵排放至铝合金衬底托架或者不锈钢放盘中，放入真空烧焊设备反复抽真空、通氮气，然后进行预升温预热、预保温，再升温至除气温度、再保温、降温的工艺。③将半成品以矩阵排放方式放入真空烘箱烘烤；④在完成键合后将产品放入真空烘箱再次烘烤。本发明工艺简单、定位准确、有效的缩短烘烤时间，减小应力积累，创造性地将物理方法和材料特性进行耦合，通过真空压力差和材料结构软化有效去除常用工艺无法去除的材料内部包裹性水汽。该方法适用于各类黑陶瓷低熔玻璃外壳封装的器件。

Description

黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法
技术领域
本发明涉及制造半导体器件，具体来说，涉及黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法。
技术背景
一般黑陶瓷低熔玻璃外壳气密性封装集成电路由管基、盖板、芯片、芯片粘接材料、键合引线等部件组成。其中管基、盖板主要组成材料为Al2O3、铁镍合金（可伐合金）、低熔玻璃，芯片主要组成材料为Si，芯片粘接材料主要组成材料为Ag和环氧类基体，键合引线主要组成材料为Al。其中Pb系低熔玻璃印刷至管基上表面和盖板下表面，在气密性封装时盖板对位放置于管基上通过连续线性高温使管基与盖板上的低熔玻璃通过高温固相反应，形成无序结构的玻璃均质体形成具备气密性（漏气率：≤5×10-9Pa·m3/s）的结构。气密性封装产品内部水汽存在的原因主要有：封装时水汽从封装环境中进入、芯片粘接材料和外壳表面吸附的水汽后期释放、芯片粘接材料和低温玻璃内部包裹水汽后期释放。封装环境引入的水汽易通过控制环境而避免，由于外壳生产工艺导致管基、盖板表面存在一定的粗糙，粗糙部位易形成空隙结构产生较强的吸附力吸附水汽附着于表面和空隙中。而在集成电路加工生产中也易造成材料形成密闭空洞性结构包裹水汽和粗糙空隙结构吸附水汽。因此芯片粘接材料和低熔玻璃表面的吸附和内部包裹水汽需要着重控制。封盖前烘烤一定程度能去除表面吸附和粗糙界面空隙中的水汽，芯片固化工艺专门设定能够有效的去除部分芯片粘接材料内部包裹的水汽。但由于低熔玻璃的软化温度、融化温度较高，生产工艺中很难除净其内部包裹的水汽。要达到有效的去除水汽，同时缩短单次烘烤时间减小应力积累，提升生产效率，需要解决如下问题：①对水汽工艺进行重新设计，在生产过程中及时将水汽去除；②针对材料性质通过不同方法将内部包裹水汽在生产过程中释放出来。然而除水工艺的进行容易导致产品热应力的积累产生应力损伤，这就需要充分考虑工艺温度梯度问题。
经检索，中国专利数据库中涉及集成电路中防止水汽的申请件仅有1件，即201310447519X号《防分层和水汽进入的大功率集成电路引线框架》。目前尚无集成电路内部水汽含量控制的专利申请件。
发明内容
本发明旨在提供一种黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法，运用多点多次除水，材料分子运动闭孔打开真空压力差水汽排除等原理控制表面吸附和粗糙界面空隙中以及材料内部的包裹的水汽。
发明人提供的黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法包括以下步骤：
第一步，根据水汽存在位置针对性地去除水汽，首先在清洗完成后的管壳放入远红外烘干炉进行表面烘干；
第二步，在装结工序前进行矩阵排放至铝合金衬底托架或者不锈钢放盘中，放入真空烧焊设备反复抽真空、通氮气，然后进行预升温预热、预保温，再升温至除气温度、再保温、降温的工艺。
第三步，前述步骤完成后将半成品以矩阵排放方式放入真空烘箱烘烤；
第四步，在完成键合后将产品放入真空烘箱再次烘烤，目的是去除组装流程中环境对产品造成的表面吸湿存在的水汽。
上述第一步中，所述烘干温度为85℃、烘干时间为2h。
上述第二步中，抽真空、通氮气的工艺条件为3次循环抽充，真空度控制在10Pa、氮气纯度为99.999%，目的是保证工作腔体内部气氛的纯净和低水汽；所述预热即预升温，工艺条件是升温速率30-50℃/min，升温温度为150℃，通氮气的纯度为99.999%目的是进一步净化气氛，剥离表面吸附水汽；所述预保温的工艺条件是：温度150℃，保温时间10min，真空度10Pa，目的是使整个腔体温度均衡，减小区域温差，同时通过真空抽气将剥离出的表面吸附水汽抽离腔体；所述再升温工序的升温速率为50-80℃/min,升温温度380℃，3次循环抽充，真空度10Pa、氮气纯度99.999%，目的是高速率升温过程能够加快低熔玻璃玻璃体的分子运动频率，快速去除表层烘出的水汽，同时进一步净化工作腔体环境；所述再保温控制的工艺条件是温度380℃，时间30min，真空度10Pa，目的是使低熔玻璃软化，内部多孔性封闭区域通过高温软化加上压力差的作用打开，释放出内部包裹性水汽，同时也使低熔玻璃更加致密减少内部空孔；所述降温阶段的工艺条件是降温速率15-30℃/min，降温方式为风冷降温，降温气体是99.999%氮气，目的是通过低速率降温控制玻璃体温度应力，避免高温差产生的龟裂、炸裂，同时高纯氮气的风冷降温保证了玻璃体的纯净。
上述第三步中放入真空烘箱的工艺条件是：温度125℃、真空度10Pa、时间8h，作为装结前准备保存，这样有利于提高后续装结胶体与管基的结合力，减小结合孔洞，避免覆盖造成的闭塞空位，避免胶体包裹，减少环境吸湿对产品造成的影响。
上述第四步中，放入真空烘箱再次烘烤的工艺条件是：温度125℃、真空度10Pa、时间8h。
应用本发明方法对黑陶瓷低熔玻璃外壳封装的产品内部水汽控制，不仅工艺简单、定位准确、有效的缩短了烘烤时间，减小了应力积累。整个过程使用真空烘烤法，真空压力去除法等技术，使剥离力大于吸附力，同时根据材料软化过程中分子的运动加上压差形成的从内到外的正压力，使封闭气孔打开内部水汽释放去除。该方法创造性地将物理方法和材料特性进行了耦合，通过真空压力差和材料结构软化有效去除了常用工艺无法去除的材料内部包裹性水汽。该方法适用于各类黑陶瓷低熔玻璃外壳封装的器件。
附图说明
图1为原有工艺流程框图；图2 为本发明方法的工艺流程框图；图3为真空除水工艺曲线图。
图3中：各阶段的工艺条件为：1为抽真空、通氮气阶段，真空度：10Pa、氮气纯度：99.999%，3次循环抽充；2为预升温阶段，升温速率为：30-50℃/min，升温温度:150℃，环境：99.999%氮气；3为预保温阶段，温度：150℃，保温时间：10min，真空度：10Pa；4为再升温阶段，升温速率为：50-80℃/min,升温温度380℃，真空度：10Pa、氮气纯度：99.999%，3次循环抽充；5为再保温阶段，温度：380℃，时间30min，真空度：10Pa；6为降温阶段，降温速率：15-30℃/min，降温方式：风冷降温，降温气体：99.999%氮气。
具体实施方式
实施例
以J08型封装产品为例。
第一步：将外壳进行清洗，清洗完成后放入远红外烘干炉进行温度：85℃、时间：2h表面烘干；
第二步：将外壳矩阵排放至铝合金衬底托架或者不锈钢放盘中，放入真空烧焊设备进行反复抽真空、通氮气，然后按照预升温、预保温、再升温、再保温、降温的工序除水。其中反复抽真空、通氮气阶段：工艺条件为3次循环抽充，真空度：10Pa、氮气纯度：99.999%；预热阶段：预升温速率为：30-50℃/min，预升温温度:150℃，环境：99.999%氮气；预保温阶段，保温温度：150℃，保温时间：10min，真空度：10Pa；再升温阶段，升温速率：50-80℃/min,升温温度380℃，3次循环抽充，真空度：10Pa、氮气纯度：99.999%；再保温阶段，控制温度：380℃，时间30min，真空度：10Pa；降温阶段，降温速率：15-30℃/min，降温阶段：风冷降温，降温气体：99.999%氮气；
第三步：矩阵排放放入真空烘箱进行温度：125℃、真空度：10Pa、时间：8h的装结前准备保存；
第四步：将键合完成产品放入真空烘箱,在温度：125℃、真空度：10Pa下封盖前保存8h，最后封盖。

Claims (1)

1.黑陶瓷低熔玻璃外壳集成电路内部水汽含量控制方法，其特征包括以下步骤：
第一步，根据水汽存在位置针对性地去除水汽，首先在清洗完成后的管壳放入远红外烘干炉进行表面烘干；
第二步，在装结工序前进行矩阵排放至铝合金衬底托架或者不锈钢放盘中，放入真空烧焊设备反复抽真空、通氮气，然后进行预升温预热、预保温，再升温至除气温度、再保温、降温的工艺；
第三步，前述步骤完成后将半成品以矩阵排放方式放入真空烘箱烘烤；
第四步，在完成键合后将产品放入真空烘箱再次烘烤，目的是去除组装流程中环境对产品造成的表面吸湿存在的水汽；
所述第一步中，所述烘干温度为85℃、烘干时间为2h；
所述第二步中，所述抽真空、通氮气的工艺条件为3次循环抽充，真空度控制在10Pa、氮气纯度为99 .999%，目的是保证工作腔体内部气氛的纯净和低水汽；所述预热即预升温，工艺条件是升温速率30-50℃/min，升温温度为150℃，通氮气的纯度为99 .999%目的是进一步净化气氛，剥离表面吸附水汽；所述预保温的工艺条件是：温度150℃，保温时间10min，真空度10Pa，目的是使整个腔体温度均衡，减小区域温差，同时通过真空抽气将剥离出的表面吸附水汽抽离腔体；所述再升温工序的升温速率为50-80℃/min ,升温温度380℃，3次循环抽充，真空度10Pa、氮气纯度99 .999%，目的是高速率升温过程能够加快低熔玻璃玻璃体的分子运动频率，快速去除表层烘出的水汽，同时进一步净化工作腔体环境；所述再保温控制的工艺条件是温度380℃，时间30min，真空度10Pa，目的是使低熔玻璃软化，内部多孔性封闭区域通过高温软化加上压力差的作用打开，释放出内部包裹性水汽，同时也使低熔玻璃更加致密减少内部空孔；所述降温阶段的工艺条件是降温速率15-30℃/min，降温方式为风冷降温，降温气体是99 .999%氮气，目的是通过低速率降温控制玻璃体温度应力，避免高温差产生的龟裂、炸裂，同时高纯氮气的风冷降温保证了玻璃体的纯净；
所述第三步中，所述半成品放入真空烘箱的工艺条件是：温度125℃、真空度10Pa、时间8h，作为装结前准备保存，这样有利于提高后续装结胶体与管基的结合力，减小结合孔洞，避免覆盖造成的闭塞空位，避免胶体包裹，减少环境吸湿对产品造成的影响；
所述第四步中，所述产品放入真空烘箱再次烘烤的工艺条件是：温度125℃、真空度10Pa、时间8h。
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