平行縫焊用蓋板可靠性研究

　　1 引言

　　目前平行縫焊工藝在有氣密性要求的各種電子封裝中大量使用。由于密封過程中封裝體的溫升較低、不使用焊料、對器件性能影響較小、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在對溫度較敏感的電子元器件，如集成電路、混合集成電路、表面安裝型石英晶體振蕩器、諧振器以及聲表面波濾波器(SAW)等電子元器件封裝中普遍采用。其封裝氣密性可達(dá)：漏率L≤1×10-3Pa·cm3/S(He)，是一種可靠性較高的封帽方式，可用于氣密性要求較高的封裝中。

　　平行縫焊雖然是一種可靠性較高的封帽方式，但作為平行縫焊重要部件--平行縫焊用蓋板，它是平行縫焊重要的結(jié)構(gòu)性材料，對封裝中氣密性及氣密性成品率有重要影響。要想提高平行縫焊的可靠性，除了封裝底座要有高的質(zhì)量，還必須要有高質(zhì)量的蓋板。而高質(zhì)量的平行縫焊蓋板必須具備：①熱膨脹系數(shù)與底座焊環(huán)的相同，與瓷體的相近。②焊接熔點(diǎn)溫度要盡可能低。③耐腐蝕性能優(yōu)良。④尺寸誤差小。⑤平整、光潔、毛刺小、沾污少等特性。下面就分別闡述高質(zhì)量平行縫焊蓋板所必需具備的幾個(gè)要素。

　　2 熱膨脹系數(shù)的匹配

　　平行縫焊蓋板的熱膨脹系數(shù)主要取決于蓋板基礎(chǔ)體材料本身。首先要依據(jù)底座焊環(huán)的熱膨脹系數(shù)來決定蓋板基體材料的選擇。目前用量最大的是氧化鋁陶瓷底座，其次就是可伐(KOVAR合金)底座。而與陶瓷膨脹系數(shù)相匹配的金屬焊環(huán)是KOVAR合金或4J42鐵鎳合金。因此，我公司生產(chǎn)的平行縫焊用蓋板均采用KOVAR合金材料，與陶瓷底座相匹配。這一材料封帽成品率高(≥99.5%)，封裝后器件經(jīng)-55℃～+150℃、50次循環(huán)，漏氣L≤9×10-8～7×10-10atm·cm3/s(相當(dāng)于9×10-3～7×10-5Pa·cm3/s(He))。

　　3 焊接熔點(diǎn)溫度要求

　　平行縫焊焊接熔點(diǎn)溫度高低對于保護(hù)電子元器件性能不受影響是個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)問題。我們知道半導(dǎo)體器件、石英晶體振蕩器對于高溫都比較敏感。如果封裝體溫升偏高，會使石英晶體振蕩頻率偏離設(shè)計(jì)范圍、誤差加大，甚至使器件失效。為了保護(hù)所封裝電路及石英晶體振蕩器等電子元器件性能及成品率，必須努力降低焊接熔點(diǎn)溫度，以減少封焊時(shí)所產(chǎn)生的溫升。有時(shí)溫升太高，還會使陶瓷底座與焊環(huán)因應(yīng)力而開裂、甚至使焊環(huán)金屬化脫落等，造成整個(gè)器件報(bào)廢，降低焊接熔點(diǎn)溫度有利于提高封帽的成品率和可靠性。而KOVAR材料熔點(diǎn)為1460℃，鐵鎳合金4J42熔點(diǎn)也高達(dá)1440℃，若要降低平行縫焊焊接熔點(diǎn)溫度，就要在蓋板鍍層上來解決問題。平行縫焊蓋板常用鍍鎳、鍍金或鍍鎳合金的工藝。純鎳的熔點(diǎn)為1453℃，純金的溫度為1063℃。我們開始采用電鍍鎳，發(fā)現(xiàn)無法降低熔點(diǎn)焊接溫度。因?yàn)殡娊忮冩嚱咏诩冩嚕淙埸c(diǎn)溫度高，在用戶焊接時(shí)需要采用較大的電流，可焊性差。只有合金鎳才能有效降低熔點(diǎn)溫度?；冩嚭辖鹩墟嚵缀辖鸷玩嚺鸷辖穑琢吭?2.4Wt%時(shí)達(dá)到最低。參見圖1和圖2。

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　　從圖1可以看出，鎳磷合金最低熔點(diǎn)880℃，比鎳硼最低溫度1093℃低。顯然采用鍍鎳磷合金較優(yōu)。但含磷量也不宜太高，太高了玻璃相增多，硬度太大，平行縫焊時(shí)易產(chǎn)生微裂紋。采用含磷量適中的工藝配方，在實(shí)際生產(chǎn)及用戶使用中均取得了滿意的效果。鍍鎳蓋板在經(jīng)氫氣爐中高溫(780℃)退火和不退火，其使用效果無明顯差異。

　　選用化鍍鎳磷，還有一種考慮，就是鍍層的體電阻和接觸電阻、化鍍鎳磷鍍層的電阻比較大，其電導(dǎo)率一般為(1.47～2.22)×106n-1·m-1，電解鍍層的電導(dǎo)率為13.7×106n-1·m-1。顯而易見，化學(xué)鍍鎳層的電阻要比電解鍍鎳層大。因平行縫焊實(shí)質(zhì)上是電阻焊，在焊接過程中其電阻集中在電極與蓋板接觸處，也就是鍍層部位應(yīng)要有較大電阻，體電阻大的鍍層其接觸電阻大，這樣脈沖電流通過時(shí)，其產(chǎn)生的熱量就集中在電極接觸處，使接觸處蓋板與焊框熔融而結(jié)合在一起。因此其電阻大些是有好處的。

　　4 耐腐蝕性能

　　作為高可靠平行縫焊蓋板，耐銹蝕性能是非常重要的。尤其是器件在潮濕及海洋性氣候條件下工作。如果耐腐蝕性差，該器件將很快銹蝕穿孔而失效。因此人們在蓋板鍍鎳工藝配方及工藝優(yōu)化上做了大量的工作。發(fā)現(xiàn)化鍍鎳的耐腐蝕性能在鍍層厚度同樣條件下要比電解鍍鎳的好、酸性化鍍鎳的要比堿性化鍍鎳的好、鍍層厚些的要比鍍層薄些的好、僅鍍鎳的要比鍍鎳后再鍍金的好、基體材料光潔度高的要比光潔度低的好。國外許多有耐腐蝕要求的軍用蓋板就只鍍鎳而不鍍金。我公司鍍鎳的蓋板在某晶振生產(chǎn)廠的摸底試驗(yàn)中已通過了溫度40℃、相對濕度90%～95%、500小時(shí)耐腐蝕考核，其結(jié)果與日本同類產(chǎn)品不相上下。

　　5 平行縫焊蓋板尺寸的確定及誤差

　　平行縫焊工序一般是產(chǎn)品生產(chǎn)中較后的重要工序，其成品率的高低對成本影響很大。尤其在當(dāng)今電子元器件規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化大生產(chǎn)中，對產(chǎn)品的成品率及可靠性提出了非常苛刻的要求，成品率要達(dá)到99.8%以上，因此要求對蓋板尺寸精度提出更高的要求。作為IC封帽用的平行縫焊，蓋板尺寸應(yīng)比焊環(huán)尺寸小0.10～0.20mm，作為石英晶體振蕩器外殼平縫焊蓋板尺寸也應(yīng)比焊環(huán)尺寸小0.05～0.2mm，但確定尺寸后其同一批產(chǎn)品公差應(yīng)在±0.03mm之內(nèi)，否則平行縫焊過程中的成品率會出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。 6 平行縫焊蓋板平整度、毛刺及表面質(zhì)量平行縫焊蓋板要求平整度高，其材料就要求平整，不應(yīng)有彎曲現(xiàn)象。成品蓋板的平整度應(yīng)小于0.005mm/mm，毛刺也應(yīng)小于0.005mm，否則對封帽氣密性及氣密性成品率、封帽強(qiáng)度也有影響。表面光潔度、塵埃等亦對器件產(chǎn)品質(zhì)量有極大影響。要求塵埃粒度盡可能小，數(shù)量盡可能少。尤其作為高密度封裝的集成電路及聲表面波(SAW)其塵埃粒度應(yīng)小于1μ，粒數(shù)不能超過4個(gè)。因此蓋板生產(chǎn)涂鍍及蓋板檢驗(yàn)及包裝均應(yīng)在潔凈車間進(jìn)行。

　　7 小結(jié)

　　以上闡述了平行縫焊用蓋板封裝可靠性相關(guān)的五個(gè)問題，每個(gè)均對封裝質(zhì)量及其可靠性有較大影響，缺一不可。我們在這方面做了一些研究和探索，不足之處希望各位專家、讀者批評指正。在工作中我們得到清華大學(xué)賈松良教授、中科院電子所許維源高工、中電科技58所丁榮崢主任的指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意!