采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究

摘要：

根據(jù)功率器件的氣密性封裝要求，設(shè)計(jì)了完整的金錫封焊工藝方法和流程，研究了工藝中的技術(shù)難點(diǎn)，提出了確保封裝工藝穩(wěn)定性和可靠性的技術(shù)要點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)選用Au80Sn20預(yù)成型焊環(huán)作為封接材料對(duì)器件進(jìn)行氣密性封裝。通過(guò)大量試驗(yàn)得出了佳工藝曲線（包括溫度、時(shí)間、氣氛和壓力等）。密封后的產(chǎn)品在經(jīng)受各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)后，其結(jié)構(gòu)完整性、電學(xué)特性、機(jī)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(duì)電子器件的可靠性要求越來(lái)越高，氣密性封焊的產(chǎn)品因其杰出的可靠性被廣泛地應(yīng)用于軍事應(yīng)用。氣密性封裝一般采用熔焊、錫焊或釬焊。錫焊封裝產(chǎn)品與熔封產(chǎn)品比較，具有工作速度快、成品率高、重復(fù)性好、抗腐蝕性能好和應(yīng)用范圍廣等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

錫焊通常采用SnPb、InAg和BiSn等釬料進(jìn)行密封，其中錫焊稍次于共晶金錫合金釬焊，因?yàn)樗膹?qiáng)度較低（低于AuSn強(qiáng)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(shí)必須采用助焊劑。同時(shí)較低的焊接強(qiáng)度勢(shì)必導(dǎo)致較低的抗疲勞特性。據(jù)報(bào)道，在功率器件中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了錫焊在功率循環(huán)時(shí)的失效。因此SnPb、InAg和BiSn等釬料的錫封不能適應(yīng)汽車及航空電子高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域的要求。當(dāng)需要一個(gè)更強(qiáng)、更耐腐蝕的密封和必需避免使用助焊劑的場(chǎng)合，多采用共晶AuSn合金釬焊來(lái)代替錫焊。因?yàn)榻疱a焊料不僅具有優(yōu)良的機(jī)械性能，而且具有獨(dú)特的潤(rùn)濕性和抗氧化性，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)釬劑封焊，消除了助焊劑的污染。但是由于金錫封焊對(duì)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(lái)平均批次封裝合格率在70%以下。本文結(jié)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(yàn)設(shè)計(jì)

Au80Sn20合金具有良好的浸潤(rùn)性，而且對(duì)鍍金層的浸蝕程度很低，同時(shí)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(dǎo)熱和導(dǎo)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(guó)內(nèi)很多廠商為避免內(nèi)部芯片發(fā)生偏移、浮起和脫落等缺陷，封裝時(shí)通常會(huì)采用器件正面朝上用鉬夾固定的方式進(jìn)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(shè)計(jì)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(cè)液相曲線斜度非常陡，在芯片焊接過(guò)程中，Au80Sn20焊料金含量的增加很容易通過(guò)芯片背面的電鍍金發(fā)生快速溶解，金含量的增加會(huì)使焊料的溫度迅速提高至320 ℃～360 ℃，而封焊的峰值溫度不會(huì)超過(guò)320℃，因此不必?fù)?dān)心倒置封焊過(guò)程中器件內(nèi)的焊料發(fā)生重熔，導(dǎo)致芯片偏移、浮起和脫落等現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品的電性能。

2 試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)外通常采用鏈?zhǔn)綘t（帶式爐）來(lái)完成釬焊密封工藝，將剪裁好的焊料合金預(yù)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(jīng)歷“預(yù)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(chǎn)品氣密封裝起來(lái)。但是這種鏈?zhǔn)綘t釬焊密封工藝的溫度曲線和內(nèi)部氣氛都較難控制，爐內(nèi)需要不斷地輸入高純度且干燥的氮?dú)獠拍鼙ＷC密封工藝實(shí)現(xiàn)。為避免鏈?zhǔn)綘t（帶式爐）釬焊工藝帶來(lái)的工藝難控制和資源浪費(fèi)大等問題，本文采用了真空/氮?dú)鈮毫t來(lái)代替鏈?zhǔn)綘t的密封，同時(shí)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確、壓力控制簡(jiǎn)單、腔體真空度控制精確和操作方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)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(yù)成型焊片的選用與殼體及蓋板的平整度是相互關(guān)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(rùn)濕，但當(dāng)殼體與蓋板之間存在縫隙時(shí)，就需要采用較厚的焊片才能實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，通過(guò)反復(fù)測(cè)量及多次試驗(yàn)，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?dú)獯蹈?，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(nèi)，壓入壓針，放入真空爐內(nèi)，經(jīng)過(guò)抽真空、加熱（加熱曲線如圖4所示）、加壓和降溫過(guò)程，完成整個(gè)密封過(guò)程。鏈?zhǔn)綘t密封的典型加熱周期包括快速預(yù)熱期（3 min～5 min），液相溫度以上的短時(shí)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(nèi)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(duì)內(nèi)部芯片造成熱沖擊。在真空爐內(nèi)進(jìn)行密封不僅能夠準(zhǔn)確地控制加熱曲線，而且可以在預(yù)熱區(qū)就能進(jìn)行真空烘烤，以保證內(nèi)部氣氛含量。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 氣密性測(cè)試

試驗(yàn)共采用了50只器件分5批進(jìn)行封焊試驗(yàn)，經(jīng)粗和細(xì)檢漏后無(wú)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(guó)軍標(biāo)GJB548-96方法1014要求，合格率達(dá)到100%。

30只成品溫度循環(huán)的試驗(yàn)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(jīng)粗和細(xì)檢漏后無(wú)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(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間：96 h；12只樣品經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)后無(wú)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(yàn)后的成品合格率為100%。

4.2 內(nèi)部水汽含量檢測(cè)

從采用不同封焊程序的樣品中各抽取3只共9只產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量測(cè)試，其結(jié)果見表1，從結(jié)果看所有樣品均達(dá)到了GJB548方法1018的要求，水汽體積分?jǐn)?shù)均小于5×10-3，其中封焊程序編號(hào)為45的樣品其結(jié)果為優(yōu)良，證明我們完全可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制內(nèi)部水汽含量。

4.3 性能測(cè)試

對(duì)40只樣品進(jìn)行了封帽前后性能測(cè)試對(duì)比，其駐波及增益的變化率均與平行封焊的變化率一致，說(shuō)明采用倒置型裝配的金錫封帽工藝對(duì)產(chǎn)品的性能沒有影響。

4.4 內(nèi)部目檢

抽取5只產(chǎn)品機(jī)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(dǎo)體均未出現(xiàn)偏移浮起現(xiàn)象，說(shuō)明經(jīng)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(chǎn)品焊區(qū)光亮，焊料鋪展性良好，無(wú)明顯的孔洞、無(wú)爬蓋和無(wú)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(guò)程中極易產(chǎn)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(diǎn)：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(duì)焊環(huán)厚度做了進(jìn)一步的調(diào)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(guò)大，焊料從焊接處流出，鋪展至管殼上，但壓力過(guò)小會(huì)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(guān)重要，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)0.60 N比較合適；⑶溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)久，較高的溫度有利于焊料的鋪展，但過(guò)高的溫度會(huì)造成焊料沸騰現(xiàn)象，不但會(huì)在焊接層形成孔洞，同時(shí)造成焊料的外溢。經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)，佳的工藝參數(shù)是：加熱溫度310 ℃，保溫時(shí)間：1.5 min。

5.2 管口表面不浸潤(rùn)

造成封焊后的產(chǎn)品漏氣的主要因素是管口表面不浸潤(rùn)，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(jī)物存在。在封焊之前必須經(jīng)過(guò)超聲清洗，在裝配過(guò)程中也應(yīng)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(dòng)、加熱溫度過(guò)高和溫度不均勻，如圖9所示?？锥吹某霈F(xiàn)會(huì)使密封腔體發(fā)生泄漏，同時(shí)也降低了焊接界面的強(qiáng)度。在封焊前確定倉(cāng)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(jié)論

采用倒置型裝配金錫封焊工藝時(shí)，通過(guò)調(diào)整預(yù)成型焊片的厚度和加載壓力，控制封焊時(shí)的溫度、保溫時(shí)間、氣體壓力以及選擇高純度石墨夾具，可以達(dá)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(jiǎn)單，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整批次同時(shí)封焊，極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了大量的人力物力。