劉 艷，徐 驍，陳潔民，陳 凱

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

在軍事和民用高可靠電子領(lǐng)域，封裝氣密性是最重要的可靠性指標(biāo)之一，AuSn合金氣密封裝，不但其密封性和耐高溫性能好[1]，同時(shí)其工藝還具有很多優(yōu)勢(shì)：（1）蓋板厚度無(wú)要求，封焊后機(jī)械強(qiáng)度大，蓋板耐壓大；（2）對(duì)封裝材料無(wú)要求，柯伐合金、銅、鋁均可以實(shí)現(xiàn)氣密封裝；（3）封裝應(yīng)力小，只要選取與殼體一致的材料作為蓋板材料，就可以使器件承受最嚴(yán)酷的使用條件；（4）無(wú)須經(jīng)過(guò)任何特殊處理就可經(jīng)受住鹽霧試驗(yàn)，使器件可以在腐蝕性氣體下長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。因此該工藝在很多需要高可靠性陶瓷金屬結(jié)構(gòu)氣密封裝的微波半導(dǎo)體器件和集成電路中應(yīng)用廣泛。

真空爐金錫封焊工藝具有多品種的生產(chǎn)特性，采用該工藝可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整批次同時(shí)封焊，能夠很大程度地提高生產(chǎn)效率。

2 技術(shù)研究

2.1 試驗(yàn)采用的封焊夾具

為實(shí)現(xiàn)批次同時(shí)進(jìn)行封焊并保證其精確定位，采用了倒置型批次封焊夾具，在托盤的槽孔里面依次放入蓋板、合金預(yù)制片、殼體、壓塊，然后將托盤放入真空加熱箱，加熱到熔點(diǎn)溫度后形成共熔/共晶，將殼體和蓋板密封焊接在一起，如圖1。

圖1 封焊示意圖

2.2 影響因素

2.2.1 管帽鍍層質(zhì)量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

鍍鎳層如果不夠致密，或者過(guò)薄的情況下，基材中的某些微量元素（如Fe）能顯著促進(jìn)合金的氧化，析出Fe能形成FeSn初晶[2]，影響AuSn合金的流動(dòng)，進(jìn)而影響氣密性。

2.2.2 合金狀態(tài)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在AuSn合金封裝前，預(yù)制成的附有合金圈的管帽應(yīng)保存在氮?dú)夤裰?，使用前用特制的清洗液加以清洗，以去除合金圈表面少量SnO或SnO2及其他污染物。

根據(jù)AuSn合金封裝中錫的氧化機(jī)理，空氣中的氧易與AuSn合金中的錫反應(yīng)生成金屬氧化物，在表面形成氧化膜，隨著溫度的升高，合金分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，其碰撞機(jī)率大大提高，從而加快合金中錫的氧化[3]。

在一定溫度下，氧化物按分配定律可部分溶解于AuSn合金熔液中，同時(shí)由于濃差關(guān)系使氧化物向金屬熔液內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)而阻礙液態(tài)焊料與固體母材的潤(rùn)濕，還會(huì)導(dǎo)致氧化膜進(jìn)入焊縫，產(chǎn)生各種連接缺陷，從而影響封焊效果。據(jù)報(bào)道，合金中氧含量必須低于0.5%，否則很難取得密封效果。

2.2.3 封接面表面狀況對(duì)焊接質(zhì)量的影響

必須確保外殼封接面的潔凈。當(dāng)封接面存有玷污，浸潤(rùn)性就會(huì)很差，在金錫熔融的狀態(tài)下，沾污處會(huì)形成氣泡，在加熱、加壓的時(shí)候，氣泡延展、爆破，造成漏氣或金錫焊料飛濺。

2.2.4 壓塊大小對(duì)焊接質(zhì)量的影響

由于加熱方式以熱板式為主，它的傳熱方向依次為蓋板→焊料環(huán)→殼體，在殼體上加夾具，這樣不僅能夠控制導(dǎo)熱，同時(shí)也起到了高溫加壓作用。管殼表面平面度存在差異，針對(duì)管殼的大小差異調(diào)節(jié)壓塊的大小以此彌補(bǔ)管殼差異。加載在封裝蓋板上的壓力要適中，壓力過(guò)大會(huì)使焊料在焊接時(shí)流出，壓力過(guò)小，焊接的密封性較差。

2.2.5 焊料厚度的選擇

為了避免合金向外堆積以及有利于焊料鋪展，必須設(shè)計(jì)適合焊料環(huán)的大小及厚度，這決定了產(chǎn)品的成品率。常用的合金情況見(jiàn)表1。

表1 殼體封裝面積與焊料厚度

2.2.6 加熱程序是成品率的重要保證

真空爐金錫封焊整個(gè)工藝過(guò)程分為三步：真空烘烤→充氮熔封→快速冷卻。

通過(guò)程序設(shè)計(jì)，精確控制加熱時(shí)間、加熱速度、降溫速度、氮?dú)鈮毫Α⒄婵斩?，摸索出最?yōu)的溫度曲線，保證封帽的成品率，如圖2。

圖2 工藝溫控及壓控曲線圖

金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對(duì)成分是非常敏感的，當(dāng)金的重量比大于80%時(shí)，隨著金的增加，熔點(diǎn)急劇提高。而被焊件往往都有鍍金層，在焊接過(guò)程中鍍金層的金會(huì)浸入焊料。在過(guò)厚的鍍金層、過(guò)薄的預(yù)成型焊片、過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間下，都會(huì)使浸析入焊料的金增加，從而使熔點(diǎn)上升[4]。所以上述各類焊接參數(shù)都需優(yōu)化，AuSn（80:20）合金焊料在焊接時(shí)所施加的溫度應(yīng)使焊料能夠有足夠的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，通常爐子峰值溫度應(yīng)選在約為350℃，焊接時(shí)間為2min～4min，焊接成品率可在98%以上，具體時(shí)間主要取決于電路及焊料環(huán)大小。

3 結(jié)論

真空爐金錫封焊工藝的關(guān)鍵是焊接的氣密性。焊接設(shè)備、夾具的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)程序設(shè)計(jì)以及表面狀態(tài)等都對(duì)焊接的氣密性有著較大的影響。由于AuSn合金氣密封裝工藝自身的特性，在高質(zhì)量軍用電路封裝中得到了廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行了大量真空爐金錫封焊工藝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)工裝模具的改進(jìn)及工藝參數(shù)的優(yōu)化，解決了焊接過(guò)程中出現(xiàn)的影響氣密性的若干問(wèn)題，經(jīng)封裝后的微波器件或集成電路氣密性高，漏率≤5.0×10-9Pa·m3/s，產(chǎn)品的一次合格率達(dá)到99.5%以上，該技術(shù)已大量用于產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，其可靠性指標(biāo)均已通過(guò)GJB128A-96或GJB548B-2005質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)考核。

[1] 劉澤光，陳登權(quán)，羅錫明，等. 微電子封裝用金錫合金釬料[J].貴金屬，2005，26(1)：62-65.

[2] 李丙旺. AuSn焊料低溫真空封裝工藝研究[J].集成電路通訊，2010，28（1）.

[3] 杜長(zhǎng)華，陳方. 電子微連接技術(shù)與材料[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 姜永娜，曹曦明. 共晶燒結(jié)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005，30(9)：53-57.