采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究

摘要：

根據功率器件的氣密性封裝要求，設計了完整的金錫封焊工藝方法和流程，研究了工藝中的技術難點，提出了確保封裝工藝穩(wěn)定性和可靠性的技術要點。實驗選用Au80Sn20預成型焊環(huán)作為封接材料對器件進行氣密性封裝。通過大量試驗得出了佳工藝曲線（包括溫度、時間、氣氛和壓力等）。密封后的產品在經受各項環(huán)境試驗和機械試驗后，其結構完整性、電學特性、機械牢固性和封裝氣密性均能很好地滿足要求,證明了采用倒置型裝配的金錫封焊工藝的可行性及優(yōu)越性。

隨著電子工業(yè)及航空和航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對電子器件的可靠性要求越來越高，氣密性封焊的產品因其杰出的可靠性被廣泛地應用于軍事應用。氣密性封裝一般采用熔焊、錫焊或釬焊。錫焊封裝產品與熔封產品比較，具有工作速度快、成品率高、重復性好、抗腐蝕性能好和應用范圍廣等顯著的優(yōu)點。

錫焊通常采用SnPb、InAg和BiSn等釬料進行密封，其中錫焊稍次于共晶金錫合金釬焊，因為它的強度較低（低于AuSn強度的1/2），以及由于金屬間化合物的形成更容易破碎，而且在大多數(shù)情況下，封接時必須采用助焊劑。同時較低的焊接強度勢必導致較低的抗疲勞特性。據報道，在功率器件中已經發(fā)現(xiàn)了錫焊在功率循環(huán)時的失效。因此SnPb、InAg和BiSn等釬料的錫封不能適應汽車及航空電子高可靠性應用領域的要求。當需要一個更強、更耐腐蝕的密封和必需避免使用助焊劑的場合，多采用共晶AuSn合金釬焊來代替錫焊。因為金錫焊料不僅具有優(yōu)良的機械性能，而且具有獨特的潤濕性和抗氧化性，可以實現(xiàn)無釬劑封焊，消除了助焊劑的污染。但是由于金錫封焊對工藝方法要求較高, 用金錫焊料封裝電路，成品率不高，一直以來平均批次封裝合格率在70%以下。本文結合金屬氣密性封裝的需要，介紹了一種采用倒置型裝配的金錫封焊工藝。

1 試驗設計

Au80Sn20合金具有良好的浸潤性，而且對鍍金層的浸蝕程度很低，同時也沒有像銀那樣的遷徙現(xiàn)象；還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性和良好的導熱和導電性，因此Au80Sn20焊料被廣泛用于大功率電子器件的芯片焊接和高可靠電路的氣密性封裝。由于器件的芯片焊接和封裝都采用了Au80Sn20焊料，國內很多廠商為避免內部芯片發(fā)生偏移、浮起和脫落等缺陷，封裝時通常會采用器件正面朝上用鉬夾固定的方式進行封焊。這種封焊方式不僅封焊成品率較低，而且定位和壓力控制難度都較大。為此本文設計了倒置型裝配的封焊工藝。

圖1顯示在Au-Sn系統(tǒng)中共晶體的富金一側液相曲線斜度非常陡，在芯片焊接過程中，Au80Sn20焊料金含量的增加很容易通過芯片背面的電鍍金發(fā)生快速溶解，金含量的增加會使焊料的溫度迅速提高至320 ℃～360 ℃，而封焊的峰值溫度不會超過320℃，因此不必擔心倒置封焊過程中器件內的焊料發(fā)生重熔，導致芯片偏移、浮起和脫落等現(xiàn)象，從而影響產品的電性能。

2 試驗方法

國內外通常采用鏈式爐（帶式爐）來完成釬焊密封工藝，將剪裁好的焊料合金預制片插在蓋板與殼體的密封面之間，用夾具壓緊，隨著爐帶的傳送，合金焊料在爐中相繼經歷“預熱—升溫—共熔／共晶—降溫—冷卻”等狀態(tài)，形成致密的焊縫，從而將產品氣密封裝起來。但是這種鏈式爐釬焊密封工藝的溫度曲線和內部氣氛都較難控制，爐內需要不斷地輸入高純度且干燥的氮氣才能保證密封工藝實現(xiàn)。為避免鏈式爐（帶式爐）釬焊工藝帶來的工藝難控制和資源浪費大等問題，本文采用了真空/氮氣壓力爐來代替鏈式爐的密封，同時設計了倒裝封焊夾具，其工藝原理如圖2所示。這種工藝具有溫度控制準確、壓力控制簡單、腔體真空度控制精確和操作方法簡便等優(yōu)點。

3 試驗過程

試驗采用的器件殼體為可伐4J29，管口尺寸為11.4 mm×10.7 mm；蓋板同樣選用可伐4J29，尺寸為11.3 mm×10.6 mm×0.3mm；Au80Sn20預成型焊片的選用與殼體及蓋板的平整度是相互關聯(lián)的，若殼體與蓋板的金屬表面很平整，焊料不需要很厚就能完全潤濕，但當殼體與蓋板之間存在縫隙時，就需要采用較厚的焊片才能實現(xiàn)氣密性封裝，通過反復測量及多次試驗，終選取了尺寸為11.300mm×10.600mm×0.053 mm的合金焊片。

將器件、蓋板和焊片分別在甲苯、丙酮和乙醇中超聲清洗5 min，取出后用氮氣吹干，以去除殼體表面污染。將蓋板、焊片和器件依次放入定位夾具內，壓入壓針，放入真空爐內，經過抽真空、加熱（加熱曲線如圖4所示）、加壓和降溫過程，完成整個密封過程。鏈式爐密封的典型加熱周期包括快速預熱期（3 min～5 min），液相溫度以上的短時間（3 min～5 min），高于熔融溫度40 ℃～80 ℃的峰值溫度，以及固化后的快速冷卻。這種加熱方式首先較難保證內部水汽含量，前期需要真空烘烤；其次其加熱及冷卻速率很難控制，易對內部芯片造成熱沖擊。在真空爐內進行密封不僅能夠準確地控制加熱曲線，而且可以在預熱區(qū)就能進行真空烘烤，以保證內部氣氛含量。

4 試驗結果

4.1 氣密性測試

試驗共采用了50只器件分5批進行封焊試驗，經粗和細檢漏后無一只出現(xiàn)漏氣失效，且漏氣率均小于5×10-3 Pa/（cm3·s），符合國軍標GJB548-96方法1014要求，合格率達到100%。

30只成品溫度循環(huán)的試驗條件為：-65 ℃～+175℃，每溫度保持15 min，循環(huán)200次；溫度循環(huán)后30只樣品經粗和細檢漏后無一只出現(xiàn)漏氣失效，漏氣率均小于5×10-3 Pa/（cm3·s），溫度循環(huán)后的成品合格率為100%。

12只成品進行鹽霧試驗，試驗時間：96 h；12只樣品經過上述試驗后無一只出現(xiàn)漏氣失效，漏氣率均小于5×10-3 Pa/（cm3·s），鹽霧試驗后的成品合格率為100%。

4.2 內部水汽含量檢測

從采用不同封焊程序的樣品中各抽取3只共9只產品進行內部氣氛含量測試，其結果見表1，從結果看所有樣品均達到了GJB548方法1018的要求，水汽體積分數(shù)均小于5×10-3，其中封焊程序編號為45的樣品其結果為優(yōu)良，證明我們完全可以通過程序設計控制內部水汽含量。

4.3 性能測試

對40只樣品進行了封帽前后性能測試對比，其駐波及增益的變化率均與平行封焊的變化率一致，說明采用倒置型裝配的金錫封帽工藝對產品的性能沒有影響。

4.4 內部目檢

抽取5只產品機械開帽后，未發(fā)現(xiàn)一例金錫焊料重新熔化的現(xiàn)象，其金錫焊料仍保持芯片焊接后的形態(tài)，所有載體、GaAs芯片、Si芯片、陶瓷電路片和鍍金銅導體均未出現(xiàn)偏移浮起現(xiàn)象，說明經焊后的金錫焊料的熔化溫度大于封焊峰值溫度。

4.5 外部目檢

封帽后的50只產品焊區(qū)光亮，焊料鋪展性良好，無明顯的孔洞、無爬蓋和無焊料外溢等缺陷。

5 焊接缺陷分析

5.1 焊料外溢

在金錫封焊過程中極易產生焊料外溢現(xiàn)象，造成焊料外溢的原因主要是由以下幾點：⑴焊環(huán)尺寸不合理，初選用的焊環(huán)尺寸為11.300 mm×10.600mm×0.075 mm，其中90%的樣品封焊后存在不同程度的焊料外溢現(xiàn)象，因此對焊環(huán)厚度做了進一步的調整，由0.075 mm改為0.053 mm；⑵施加在殼體上的壓力不合適，如果壓力過大，焊料從焊接處流出，鋪展至管殼上，但壓力過小會造成焊接不良，焊區(qū)出現(xiàn)縫隙和漏氣。因此壓力的選取至關重要，經過試驗0.60 N比較合適；⑶溫度過高或加熱時間過久，較高的溫度有利于焊料的鋪展，但過高的溫度會造成焊料沸騰現(xiàn)象，不但會在焊接層形成孔洞，同時造成焊料的外溢。經過不斷試驗，佳的工藝參數(shù)是：加熱溫度310 ℃，保溫時間：1.5 min。

5.2 管口表面不浸潤

造成封焊后的產品漏氣的主要因素是管口表面不浸潤，如圖8所示，其造成的原因主要是管口不清潔，有樹脂和油脂等有機物存在。在封焊之前必須經過超聲清洗，在裝配過程中也應杜絕用手去接觸焊接區(qū)。

5.3 焊接區(qū)出現(xiàn)孔洞

孔洞形成的主要原因是由于氣流的擾動、加熱溫度過高和溫度不均勻，如圖9所示?？锥吹某霈F(xiàn)會使密封腔體發(fā)生泄漏，同時也降低了焊接界面的強度。在封焊前確定倉體密封狀況良好，封焊夾具采用高純度石墨夾具可以有效地避免孔洞的出現(xiàn)。

6 結論

采用倒置型裝配金錫封焊工藝時，通過調整預成型焊片的厚度和加載壓力，控制封焊時的溫度、保溫時間、氣體壓力以及選擇高純度石墨夾具，可以達到5×10-3 Pa/（cm3·s）的密封性能，封焊成品率可以控制在95%以上。倒置型裝配金錫封焊工藝不但操作簡單，同時可以實現(xiàn)整批次同時封焊，極大地提高了生產效率，節(jié)約了大量的人力物力。