紅外探測(cè)器用藍(lán)寶石濾光片焊接工藝研究

李艷紅，劉 森

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

紅外探測(cè)器用藍(lán)寶石濾光片焊接工藝研究

李艷紅，劉 森

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

針對(duì)某型號(hào)探測(cè)器組件上用的Al2O3藍(lán)寶石濾光片與可伐冷頭釬焊的成品率低、后期失效問(wèn)題突出等問(wèn)題展開研究，找到了影響濾光片焊接成品率的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并針對(duì)這些因素提出解決方案，并通過(guò)一系列環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，大幅提升了寶石窗口密封焊接工藝成品率。

藍(lán)寶石;濾光片;可伐;焊接

1 前 言

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的中波紅外InSb焦平面探測(cè)器所使用的濾光片基材，主要有Al2O3藍(lán)寶石、Ge片和Si片。Ge片和Si片在鍍完膜后的透過(guò)率可以達(dá)到95%以上，Al2O3藍(lán)寶石在鍍完膜后透過(guò)率能達(dá)到90%。同Ge片和Si片相比，雖然Al2O3藍(lán)寶石在透過(guò)率方面，稍顯不足，但是，其莫氏硬度達(dá)到9，機(jī)械性能遠(yuǎn)優(yōu)于Ge片和Si片，故該材料集中用于對(duì)可靠性要求極高的空空制導(dǎo)組件。因此Al2O3藍(lán)寶石濾光片的焊接問(wèn)題也成為一個(gè)很重要的研究課題。

Al2O3藍(lán)寶石與可伐冷頭之間的焊接方法主要分為兩大類:間接釬焊法和直接釬焊法。

間接釬焊法主要包括20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的燒結(jié)金屬粉末法(簡(jiǎn)稱Mo-Mn法)和PVD技術(shù)沉積金屬層、熱噴涂法、CVD法等新出現(xiàn)的金屬化方法［1］。間接釬焊法的釬焊溫度可以靈活的掌握，既可以用高溫釬料釬焊，也可以用低溫軟釬料釬焊。

直接釬焊法主要包括活性金屬釬料直接釬焊法和氧化物釬料直接釬焊法［1］，直接釬焊法的釬焊溫度一般都在700℃以上。

本文中的濾光片所鍍的光學(xué)膜，由于膜系設(shè)計(jì)所限，僅能承受最高350℃高溫，所以只能選用間接釬焊法。

目前，國(guó)內(nèi)用的藍(lán)寶石濾光片一次性焊接成品率不是很高，而濾光片的成本很高，不能達(dá)到生產(chǎn)要求。同樣的，低成品率也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的低可靠性。針對(duì)此問(wèn)題展開研究，希望提高其一次性焊接成品率和可靠性。

2 試驗(yàn)材料和工藝

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用結(jié)構(gòu)件為某型號(hào)探測(cè)器，其真空結(jié)構(gòu)如圖1所示，焊接位置為可伐4J33材料(表面鍍鎳)。為了提高焊縫表面的浸潤(rùn)性，必須對(duì)做完金屬化的寶石片表面進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)所選用的方法是鍍金處理和AgCu28焊料皮燒結(jié)處理。

圖1 試驗(yàn)用結(jié)構(gòu)件示意圖

試驗(yàn)用的濾光片分為幾種，如表1所示。

表1 濾光片分類

試驗(yàn)所選用的焊料為PbSn63共晶焊料，熔化溫度183℃，遠(yuǎn)低于350℃，材質(zhì)較軟，緩沖溫度沖擊應(yīng)力。助焊劑選用松香助焊劑。

2.2 試驗(yàn)工藝

首先在結(jié)構(gòu)零件焊接面和濾光片的金屬化區(qū)域都預(yù)鍍一層PbSn63共晶焊料，然后將結(jié)構(gòu)零件和濾光片裝配好，裝入充氣焊接系統(tǒng)，焊接溫度設(shè)定為(220±10)℃，保溫時(shí)間(50±3)s，進(jìn)行焊接(每種濾光片焊10片，總計(jì)焊接40片)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

完成焊接試驗(yàn)后，對(duì)焊接完成的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢漏操作，結(jié)果表2所示。

表2 檢漏結(jié)果(濾光片序號(hào)為表1中的編號(hào))

檢漏操作完成后，對(duì)檢漏合格的零件進(jìn)行77～333K的高低溫沖擊試驗(yàn)(由于條件所限，只能用液氮和普通烘箱作為環(huán)境條件，將實(shí)驗(yàn)件置入60℃烘箱中，放置10 min，然后取出，直接放入液氮中，放置10 min，然后再置入烘箱中，作為一個(gè)cyc)，每次沖擊完成后，都對(duì)其進(jìn)行檢漏操作，其結(jié)果如表3所示。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果(濾光片序號(hào)為表1中的編號(hào))

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知:

(1)沒(méi)有鍍膜的Al2O3寶石片焊接成品率明顯要比經(jīng)過(guò)鍍膜處理的Al2O3寶石片的焊接成品率高。因此，鍍膜工藝是影響寶石片焊接成品率和可靠性的一個(gè)重要影響因素。

(2)金屬化區(qū)域做鍍金處理的Al2O3寶石片在焊接后，經(jīng)過(guò)溫度沖擊后，隨著沖擊次數(shù)的增加成品率明顯會(huì)降低。因此，鍍金工藝是影響寶石片焊接成品率和可靠性的一個(gè)重要影響因素。

4.1 鍍膜工藝對(duì)金屬化區(qū)域污染

針對(duì)Al2O3寶石片的鍍膜工藝展開調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的工藝缺陷。目前國(guó)內(nèi)的濾光片鍍膜工藝都是采用熱蒸發(fā)的方式在潔凈的Al2O3寶石片表面蒸鍍一種SiO和Ge的混合膜系，整個(gè)工藝過(guò)程長(zhǎng)達(dá)8h，盡管在整個(gè)工藝過(guò)程中有工裝來(lái)遮擋，但是在長(zhǎng)時(shí)間的鍍膜過(guò)程中，金屬化區(qū)域必然會(huì)被鍍膜所產(chǎn)生的SiO和Ge蒸汽所污染。在X－Ray下檢測(cè)焊縫區(qū)的氣孔率如圖2所示。

焊縫中存在大量的氣孔，是由于SiO和Ge附著在金屬化區(qū)域表面，導(dǎo)致PbSn63焊料無(wú)法浸潤(rùn)金屬化區(qū)域部分位置。

將金屬化區(qū)域做清潔處理，然后再進(jìn)行焊接，得到的焊縫狀態(tài)就要明顯好很多，如圖3所示。

圖2 金屬化區(qū)域未作清潔處理的焊縫狀態(tài)

圖3 金屬化區(qū)域做清潔處理的焊縫表面

通過(guò)以上分析可知，鍍膜工藝對(duì)Al2O3的影響很大，在鍍膜過(guò)程中必須要對(duì)金屬化區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù)，否則會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)域出現(xiàn)大量的氣孔和夾渣等缺陷，如果污染嚴(yán)重的話對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的可靠性和氣密性都有很大影響。因此鍍膜工藝對(duì)金屬化區(qū)域的污染是影響寶石片焊接成品率和可靠性的一個(gè)重要因素。

4.2 金錫化合物的影響

Au元素具有良好的抗腐蝕性，能夠阻止焊料氧化引起的焊接可靠性問(wèn)題，同時(shí)，Au元素能夠迅速溶解于液態(tài)Sn基焊料中，極大地改善其浸潤(rùn)性，從而使AuSn合金具有高可靠性、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，以及優(yōu)良的抗腐蝕、抗疲勞特性。其在氣密性封裝、射頻和微波封裝、發(fā)光二極管、引線絕緣子焊接，以及倒裝芯片、激光二極管、3－D芯片級(jí)封裝等方面得到廣泛的應(yīng)用［2－3］。

雖然Au元素有上述應(yīng)用，但是，液態(tài)SnPb釬料同鍍Au金屬化區(qū)域界面反應(yīng)的初始生成相是針狀A(yù)uSn4金屬間化合物，它的形成是由Au原子向液態(tài)釬料的溶解控制的;如果Au的供應(yīng)充足，那么隨著重熔時(shí)間的增加，AuSn4的形態(tài)由針狀演變?yōu)閷訝睿以贏uSn4/Au界面形成AuSn2［4］。Au－Sn化合物的維氏硬度高達(dá)750，僅次于玻璃。從晶體結(jié)構(gòu)和實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)可以看出，Au－Sn化合物的硬脆性較高，合金焊縫的承載能力非常有限［5－6］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電裝工藝鍍金表面處理規(guī)范已經(jīng)很成熟，可以作為鍍金零部件焊接的參考。經(jīng)常使用到的國(guó)內(nèi)外的軍工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)鍍金表面去金的要求如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)工藝的要求

雖然試驗(yàn)所選用的鍍金層的厚度為0.5μm，控制在業(yè)界共知的1.27μm以內(nèi)，沒(méi)有足夠的Au元素向焊料中擴(kuò)散而產(chǎn)生脆性。但是，有研究表明，在150℃老化后，釬料內(nèi)部的細(xì)小的針狀A(yù)uSn4逐漸分解，通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散Au原子重新返回釬料和金屬化區(qū)域表面的界面處，在Ni3Sn4上方與Ni和Sn發(fā)生反應(yīng)形成(Au0.5Ni0.5)Sn4，它的增長(zhǎng)是由擴(kuò)散控制的。老化之后重新形成的Au-Sn化合物同Ni3Sn4之間的界面，強(qiáng)度很低，很容易萌發(fā)裂紋［7］。

因此可以判斷，在經(jīng)過(guò)77～333K的高低溫沖擊試驗(yàn)后，焊縫區(qū)域出現(xiàn)了微裂紋。隨著高低溫沖擊次數(shù)的增多，這些微裂紋會(huì)逐步增長(zhǎng)，最終成長(zhǎng)為影響整個(gè)結(jié)構(gòu)氣密性的裂紋。

5 焊接工藝優(yōu)化及結(jié)果

根據(jù)以上分析，對(duì)Al2O3藍(lán)寶石濾光片的焊接工藝做出優(yōu)化:

(1)對(duì)鍍膜工藝進(jìn)行控制，在鍍膜時(shí)，對(duì)金屬化區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

(2)對(duì)鍍金區(qū)域進(jìn)行搪錫處理。(用吸錫槍將表面的焊料處理干凈)

進(jìn)行上述處理的試驗(yàn)件總計(jì)做了30件，焊接完成后，先對(duì)其進(jìn)行150℃老化處理(烘烤840h)，然后對(duì)其進(jìn)行檢漏操作，30件零件均未出現(xiàn)氣密性失效。然后對(duì)這些樣品進(jìn)行77～333K的高低溫沖擊試驗(yàn)(每5cyc進(jìn)行一次檢漏操作)，在經(jīng)過(guò)50cyc后，這些樣品均未出現(xiàn)氣密性失效。

6 結(jié)論

(1)Al2O3藍(lán)寶石濾光片在制備光學(xué)膜的過(guò)程中會(huì)對(duì)金屬化區(qū)域造成污染，進(jìn)而影響到其焊接性，因此在鍍膜工藝中，必須要對(duì)金屬化區(qū)域做嚴(yán)格的保護(hù)，防止出現(xiàn)氣孔，夾渣等缺陷。

(2)工作在低溫下的Al2O3藍(lán)寶石濾光片金屬化區(qū)域的鍍金層，必須經(jīng)過(guò)去金處理(搪錫處理)，否則在高低溫沖擊后萌發(fā)裂紋，最終導(dǎo)致氣密性失效。

以上兩點(diǎn)是藍(lán)寶石濾光片焊接工藝過(guò)程中影響焊接成品率和可靠性的兩個(gè)重點(diǎn)，必須嚴(yán)加控制。

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Research on the soldering of sapphire optical filter used in infrared detector

LIYan-hong，LIU Sen
(North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China)

To solve the problem of the low yield and the later failure of the soldering of Al2O3 sapphire optical filter and Kovar alloy，several influencing factors of the low field of the Al2O3 sapphire optical filter are analyzed and studied.Aiming at these influencing factors，the solutions are proposed and its reliability has been verified through the experiments.

sapphire;optical filter;Kovar;soldering

TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 8

1001-5078(2014)04-0387-04

李艷紅(1979－)，女，工程師，主要從事紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及可靠性技術(shù)研究。

2013-07-22