田愛民 趙鶴然

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所）

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家

摘要：

金錫合金密封工藝廣泛應(yīng)用于高可靠軍用電子元器件產(chǎn)品上，對(duì)密封空洞的控制有很高的要求，基于此，以某型號(hào)控制電路需求為依托，針對(duì)陶瓷氣密封裝的密封空洞控制技術(shù)，研究了影響密封空洞的基本前提和關(guān)鍵因素。提出了焊料環(huán)設(shè)計(jì)、焊接氣氛、原材料表面狀態(tài)是決定密封空洞能否被有效控制的基本前提。在焊接峰值溫度和焊接壓力兩個(gè)關(guān)鍵因素上進(jìn)行優(yōu)化方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了最佳的提高密封空洞控制水平的有效方法。成果推廣到多種封裝形式上，有助于提高軍用元器件密封質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于航空航天和空間設(shè)備儀器的核心電路封裝中，在行業(yè)內(nèi)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 引言

金錫合金密封是高可靠性集成電路封裝行業(yè)內(nèi)的主流密封技術(shù)，具有焊接強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、氣密性良好的特點(diǎn)，廣泛使用在航空、航天、導(dǎo)彈、船舶等高可靠元器件上。對(duì)于航天和軍用產(chǎn)品氣密封裝，主要關(guān)注氣密性、內(nèi)部氣氛、焊接強(qiáng)度、密封空洞等方面，隨著密封技術(shù)的不斷提升和設(shè)備能力進(jìn)步，大多數(shù)問題都已解決，成品率得到很大提升，但是在密封空洞控制技術(shù)上還沒有形成統(tǒng)一明確有效的控制方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

密封空洞是一種較為常見的封裝質(zhì)量隱患，它的存在會(huì)使產(chǎn)品的密封強(qiáng)度和氣密性降低，隨著服役時(shí)間的延長，極易誘發(fā)多種致命的失效模式。引起密封空洞的因素有多種，包括溫度曲線、焊接壓力、原材料表面狀態(tài)、焊料環(huán)設(shè)計(jì)、焊接氣氛等。近年來隨著 X 射線設(shè)備的普及和宇航級(jí)半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范的推廣，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶都對(duì)密封空洞控制提出了明確的要求。

以某型號(hào)控制電路的需求為依托，主要研究陶瓷氣密封裝的密封空洞控制技術(shù)，分別闡述密封空洞控制的基本前提和主要因素，總結(jié)各種常見失效現(xiàn)象的原因和機(jī)理，提出一種有效規(guī)范的密封空洞控制方法。

2 密封空洞的影響因素

2.1 焊料環(huán)設(shè)計(jì)

與管殼密封區(qū)相匹配的焊料環(huán)設(shè)計(jì)是控制焊接空洞的基本前提之一。

在低溫?zé)Y(jié)密封過程中，焊料環(huán)的寬度決定了焊料融化后可以有效鋪展的范圍。

如果焊料環(huán)的寬度相對(duì)于密封區(qū)域過窄，在密封過程中，熔融焊料由于總量不足，無法填滿整個(gè)密封區(qū)域，必然會(huì)在邊緣或者內(nèi)部形成密封空洞，一些部位的焊料層厚度也會(huì)明顯比周圍的區(qū)域要薄，這就對(duì)密封可靠性造成非常大的隱患；如果焊料環(huán)的寬度相對(duì)于密封區(qū)域過寬，焊料總量過于充分，受熱熔化后勢能增大，極具鋪展性，固化后，往往會(huì)溢出密封區(qū)域，甚至爬到蓋板表面。

2.2 焊接氣氛

良好的焊接氣氛也是控制焊接空洞率的基本前提之一。

根據(jù)金錫合金的氧化機(jī)理，氧易與金錫合金中的錫反應(yīng)生成金屬氧化物，在表面形成氧化膜，反應(yīng)過程如下式所示。

氧化膜在密封過程中阻礙熔融焊料與金屬鍍層之間的浸潤，導(dǎo)致焊料熔融狀態(tài)鋪展不良，形成焊接空洞。

控制焊接氣氛的核心要素有兩個(gè)，一是保護(hù)氣體的純度，二是焊接爐腔體內(nèi)抽真空的真空度。這兩個(gè)因素共同作用，可以有效避免焊接過程中焊料的氧化。

2.3 原材料表面狀態(tài)

表面狀態(tài)不良對(duì)焊接空洞有較大影響，包括表面沾污、劃傷、氧化、鍍層缺陷、平整度等因素，都會(huì)阻礙焊料的流淌和浸潤。良好的表面狀態(tài)也是控制焊接空洞的基本前提之一。

可采用外部目檢將鍍層缺陷、表面沾污、劃傷等不合格品剔除。進(jìn)一步，采用等離子清洗對(duì)管殼表面和蓋板焊料環(huán)表面進(jìn)行清洗，以去除原材料表面的氧化物和有機(jī)物。

2.4 溫度曲線

焊接溫度曲線是控制焊接空洞的核心要素之一。

溫度曲線的精確設(shè)計(jì)，相當(dāng)于是對(duì)焊料融化和流淌過程的精確控制。在焊接溫度設(shè)計(jì)中，溫度過高或者加熱時(shí)間過長，焊料熔融劇烈，流淌性很強(qiáng)，部分焊料會(huì)溢出封焊區(qū)域，造成密封區(qū)內(nèi)焊料不足，進(jìn)而形成空洞；反之，焊料熔化不充分，熔融后的焊料較脆，鋪展效果不好，邊緣區(qū)域的焊接效果無法保證，多發(fā)空洞現(xiàn)象。

2.5 焊接壓力

焊接壓力也是控制焊接空洞的核心要素之一。焊接壓力，與焊接溫度、焊料狀態(tài)之間存在微妙的平衡。一方面，焊接壓力的施加，可以彌補(bǔ)焊接溫度、焊料狀態(tài)等因素的設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)焊料提供鋪展的驅(qū)動(dòng)力，加強(qiáng)焊料的鋪展作用。另一方面，焊接壓力與空洞的控制關(guān)系非常密切，適當(dāng)?shù)募訅阂环矫婵梢允鼓覆暮秃噶闲纬删o密的接觸，有利于金鍍層與金錫焊料之間擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行；除此之外，由于焊料受到擠壓沿著焊接面間隙外溢運(yùn)動(dòng)，可以排除焊料中吸附的氣體成分，從而降低密封的空洞。

3 密封工藝優(yōu)化方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 密封空洞控制的前提

在 2.1-2.3 中已經(jīng)提到，焊料環(huán)的設(shè)計(jì)、焊接氣氛的控制、原材料表面狀態(tài)是控制密封空洞的前提。上述三個(gè)因素如果出現(xiàn)異常，密封效果會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，在比較嚴(yán)重的情況下，不但密封空洞難以控制，還會(huì)衍生出新的失效模式。

（1）焊料環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

要想確保密封完成后焊料在合理范圍內(nèi)流淌，焊料環(huán)寬度ε1，焊料環(huán)距密封區(qū)內(nèi)側(cè)距離 ε2，蓋板外側(cè)密封區(qū)寬度ε3，三個(gè)寬度必須符合一定的比例，且倒角設(shè)計(jì)要求密封區(qū)內(nèi)側(cè)倒角與焊料環(huán)內(nèi)側(cè)倒角半徑一致，密封區(qū)外側(cè)倒角與焊料環(huán)外側(cè)倒角半徑一致，如圖 1 所示。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，ε2 在0.005-0.010 英寸，ε3 在 0.010-0.015 英寸。ε1、ε2、ε3 的比例關(guān)系是焊料環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不同生產(chǎn)線應(yīng)有不同的控制規(guī)范。

圖 2 為焊料環(huán)優(yōu)化前后的密封效果對(duì)比圖，從圖中可以看出，焊料環(huán)設(shè)計(jì)過窄，密封后封焊區(qū)域靠近管腔一側(cè)邊緣空洞明顯；焊料環(huán)設(shè)計(jì)過寬，密封過程中焊料極易溢出封焊區(qū)，形成爬蓋或者內(nèi)溢形成淚滴狀焊球。焊料優(yōu)化設(shè)計(jì)后，焊接效果良好，基本無空洞。

（2）焊接氣氛控制

在密封過程中，一般要求真空爐內(nèi)真空度小于1.0Pa，氮?dú)饧兌仍?/span> 99.999% 以上，以避免在焊接過程中，氧化反應(yīng)參與到共晶反應(yīng)當(dāng)中，在焊料表面形成氧化膜，阻礙金錫焊料與母材的浸潤。圖 3 為焊接氣氛控制前后密封效果對(duì)比。

3.2 密封空洞控制的核心要素

在 2.4-2.5 中已經(jīng)提到，焊接溫度曲線和焊接壓力是控制密封空洞的核心要素，對(duì)空洞的大小和數(shù)量有直接的影響。

（1）焊接溫度曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖 4 是某型號(hào) DIP8 電路優(yōu)化前金錫合金密封的工藝曲線，通過現(xiàn)有工藝曲線在進(jìn)行電路密封時(shí)，最大空洞的寬度占設(shè)計(jì)寬度的 20% 左右。通過大量工藝曲線優(yōu)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度曲線中，峰值溫度對(duì)密封空洞的尺寸大小有非常大的影響，其余條件對(duì)空洞影響則較小。

研究在原有工藝曲線基礎(chǔ)上，針對(duì)焊接峰值溫度設(shè)計(jì)了專項(xiàng)的優(yōu)化方案，從 310℃至 340℃之間按每 10℃一個(gè)溫度梯度設(shè)置優(yōu)化試驗(yàn)方案，觀察空洞率的變化。圖 5 給出了不同峰值溫度時(shí)的密封效果對(duì)比。表 1 是不同峰值溫度時(shí)，最大空洞寬度占設(shè)計(jì)密封寬度的比值。

從結(jié)果可以看出，峰值溫度在 330℃時(shí)，密封后電路空洞的大小和數(shù)量要優(yōu)于其他峰值溫度密封后電路。

（2）焊接壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)

焊接壓力也是控制密封空洞尺寸的核心要素，通過不銹鋼彈簧夾施加壓力到管殼和蓋板上，在4N～10N 焊接壓力之間，以 2N 為步進(jìn)單位進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

圖 6 給出了不同焊接壓力時(shí)的密封效果對(duì)比。

表 2 是不同焊接壓力時(shí)，最大空洞寬度占設(shè)計(jì)密封寬度的比值。

根據(jù)表 2 中的結(jié)果可以看出，當(dāng)焊接壓力小于2N 時(shí)，密封空洞尺寸很大。焊接壓力在 8N 時(shí)，密封效果后處于最優(yōu)狀態(tài)，電路空洞的大小和數(shù)量要優(yōu)于其他焊接壓力密封后的電路。

4 方法的推廣及驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的密封控制方法，以 PGA84 和PGA132 封裝形式的外殼為例，對(duì)密封效果進(jìn)行了X 射線照相驗(yàn)證， 圖 7 是 X 射線照相檢驗(yàn)結(jié)果圖。從圖中可以看出，兩種封裝形式密封的效果良好，最大空洞寬度占設(shè)計(jì)寬度的 5% 以下，可見，研究結(jié)果可以推廣到同類產(chǎn)品之上。

5 結(jié)束語

通過對(duì)陶瓷管殼集成電路密封空洞的實(shí)驗(yàn)研究，得到了金錫合金密封空洞控制的基本前提和關(guān)鍵因素。從試驗(yàn)結(jié)論可以看出，焊料環(huán)尺寸設(shè)計(jì)、焊接氣氛控制、原材料表面狀態(tài)是金錫合金密封空洞控制的基本前提，在控制好以上因素的基礎(chǔ)之上，密封空洞的控制能夠達(dá)到一個(gè)很高的水平；如果基本前提控制得不好，焊料的流淌很怪異，從而引發(fā)各種焊接問題，在此情況下空洞很難達(dá)到要求的控制標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，對(duì)控制密封空洞的關(guān)鍵因素進(jìn)行了總結(jié)，主要包括峰值溫度和焊接壓力兩個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)，并以DIP8 封裝形式為例， 通過峰值溫度和焊接壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅提高了金錫合金密封的質(zhì)量控制水平，將空洞率降低到 5% 以下。 研究成果還以推廣到 PGA84 和 PGA132 等多種封裝形式上，效果良好。

控制金錫合金密封空洞的優(yōu)化方法有助于提高軍用元器件的封質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛船、雷達(dá)、艦艇、航天器等航空航天和空間設(shè)備儀器的核心電路封裝中，在行業(yè)內(nèi)具有一定的指導(dǎo)意義。

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