蓋板釋氣對密封空洞的影響

孟德喜，章國濤，孫建波

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

長期以來，金錫合金焊料（Au80Sn20）由于其導熱系數(shù)高、釬焊溫度低、焊接強度高和焊接時無需助焊劑等優(yōu)異性能而被廣泛地應(yīng)用于航空航天、武器裝備和汽車電子等高可靠領(lǐng)域[1-3]。合金熔封是氣密性封裝中常用的封裝工藝。在合金熔封的過程中，金錫焊料受熱熔化，與陶瓷管殼和蓋板表面的鍍金層緊密地結(jié)合。由于Au80Sn20焊料具有高強度和良好的漫流性能，因此其可以有效地保證封裝的氣密性和可靠性。

空洞是合金熔封最常見的一類密封缺陷。所謂空洞缺陷，就是指在焊料和管殼、蓋板的界面處存在的未被潤濕的區(qū)域，或者在焊料內(nèi)部存在的空洞[4]?？斩吹拇嬖?，會導致焊接強度出現(xiàn)降低，在后續(xù)器件的長期服役過程中，可能誘發(fā)多種其他失效模式。影響密封空洞的因素有很多，包括焊料尺寸設(shè)計、焊接溫度和時間、焊接壓力、焊接氣氛、管殼和蓋板的表面狀態(tài)，以及焊接過程中的污染和氧化等[5-8]。此外，柯肯達爾效應(yīng)是化合物間形成空洞的一個重要原因[9-10]。除了這些常見的影響因素外，管殼、蓋板和焊料中的殘留氣體也會導致空洞缺陷的產(chǎn)生。當焊料或管殼、蓋板中的殘留氣體在焊接過程中無法有效地排出時，這些氣體就會殘留在焊料和管殼、蓋板的界面處，使焊料無法潤濕管殼及蓋板而形成空隙；或直接進入到焊料內(nèi)部形成空洞。

雖然焊料和母材中的氣體殘留也是影響密封空洞的重要因素，但是，關(guān)于這方面的研究相對較少，目前還不清楚氣體釋放對于孔洞形成的具體影響機制。本文以一款封裝形式為CFP14的電路為研究對象，重點探究了蓋板釋氣對密封空洞產(chǎn)生的影響。通過分析空洞的形貌及分布，探討了這類空洞產(chǎn)生的原因，并提出了消除此類空洞的措施。

1 影響密封空洞的因素

原材料良好的表面狀態(tài)和焊料環(huán)合理的尺寸設(shè)計是控制密封空洞的基本前提。對于原材料表面狀態(tài)，可以在試驗前通過外部目檢將鍍層表面劃傷、沾污的不合格管殼及蓋板剔除。進一步，可以采用等離子清洗技術(shù)對原材料表面的有機物和氧化物進行處理，以提高原材料表面的潤濕性[6]。對于焊料尺寸設(shè)計，前期通過優(yōu)化設(shè)計和多次合金熔封試驗，確定了與管殼密封區(qū)相匹配的焊料尺寸。按照當前設(shè)計的焊料尺寸，焊接后密封區(qū)域內(nèi)側(cè)邊緣無明顯的空洞，焊料也未出現(xiàn)爬蓋和內(nèi)溢等現(xiàn)象，焊接效果良好。

焊接溫度、時間和焊接壓力是控制焊接空洞的核心要素。合適的焊接溫度時間控制曲線可以保證焊料充分熔化，共晶反應(yīng)充分進行，進而提高焊接質(zhì)量。而焊接壓力的施加，一方面可以為焊料提供鋪展的驅(qū)動力，加強焊料的鋪展；另一方面，可以使焊料與母材形成緊密的接觸，有利于金錫焊料與鍍金層間接觸擴散反應(yīng)的進行[6]。對于焊接溫度和時間，本次試驗選用的溫度時間工藝曲線經(jīng)過了多次優(yōu)化，該工藝曲線可以保證焊接后較高的成品率。而對于焊接壓力，試驗中通過2個不銹鋼彈簧夾施加壓力在管殼和蓋板上，這在一定程度上也有利于空洞的消除。

2 試驗原料及方法

2.1 試驗原料

本文采用合金熔封工藝進行陶瓷管殼和蓋板的焊接，合金熔封過程中涉及到的主要原料包括陶瓷管殼、蓋板和金錫合金焊料。陶瓷管殼的基體為氧化鋁，表面是Ni/Au鍍層。蓋板的基體為柯伐合金，表面是Ni/Au/Ni/Au的復合鍍層結(jié)構(gòu)。金錫合金焊料通過激光點焊在蓋板上，焊料中Au和Sn的質(zhì)量分數(shù)分別為80%和20%，焊料的厚度為50μm。

2.2 試驗方法

金錫焊料密封反應(yīng)過程發(fā)生在蓋板、Au80Sn20焊料和陶瓷管殼之間，密封的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 密封結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用箱式爐進行合金熔封。箱式爐合金熔封的工藝曲線如圖2所示，曲線一般由3個部分組成：加熱階段、保溫階段和冷卻階段。加熱階段主要用于對管殼、蓋板進行預(yù)熱，提高金錫焊料活性，進而保證焊接效果；保溫階段主要用于金錫焊料的共晶反應(yīng)，生成金屬間化合物，實現(xiàn)管殼和蓋板之間的焊接。

圖2 合金熔封工藝曲線

為了研究蓋板釋氣對合金熔封密封空洞的影響，本文對蓋板進行了如下處理：1）原始蓋板，不做任何處理；2）低溫除氣處理；3）剝離合金焊料，高溫除氣處理。利用3種條件的蓋板進行合金熔封，熔封后采用X射線照相技術(shù)對空洞缺陷進行檢查，對比幾種處理條件對密封空洞的影響。具體的實驗條件及參數(shù)如表1所示。

表1 幾組實驗的實驗條件及參數(shù)

3 試驗結(jié)果

3.1 蓋板微觀組織分析

3種條件蓋板的微觀結(jié)構(gòu)分析圖如圖3所示，可以看到，盡管蓋板的處理方式有所差別，但不同的處理方式對蓋板鍍層并沒有產(chǎn)生明顯的影響。特別是蓋板最外側(cè)的鍍金層，由于研磨的影響，最外側(cè)的金層出現(xiàn)了明顯的延展和形變。但是，在最外層金層中，并沒有發(fā)現(xiàn)鎳的存在，這說明本文中采用的蓋板釋氣處理方式，并不會導致鍍鎳層中的鎳元素向鍍金層擴散。

圖3 3種條件蓋板的微觀結(jié)構(gòu)分析

3.2 密封空洞超標

CFP14這款電路的X射線失效照片示例如圖4所示，其中灰度較深的環(huán)狀陰影部分為設(shè)計密封寬度。根據(jù)GJB 548B中方法2012.1關(guān)于X射線照相的相關(guān)規(guī)定，當最窄密封寬度沒有達到設(shè)計密封寬度的75%時應(yīng)拒收。圖4照片中的電路，空洞寬度已經(jīng)遠遠地超過焊料密封寬度的25%，因此被視為X射線檢測的不合格品。

圖4 CFP14失效照片示例

3.3 3種蓋板熔封后電路的X射線分析

未處理蓋板合金熔封后失效電路的典型X射線照片如圖5所示。從圖5中可以看到，利用未處理蓋板進行合金熔封后，在電路的四角和四邊，會出現(xiàn)大量的大小不一的氣泡狀空洞，并且空洞分布于整個密封區(qū)域。氣泡狀空洞產(chǎn)生的主要原因是管殼或蓋板在合金熔封過程中出現(xiàn)氣體釋放。合金熔封前，管殼會經(jīng)歷高溫預(yù)處理和等離子清洗，而蓋板則一直放置在恒溫恒濕的氮氣柜中保存，并沒有經(jīng)過任何處理。因此，氣泡狀空洞的產(chǎn)生應(yīng)該主要與蓋板有關(guān)。氣泡狀空洞產(chǎn)生機理的示意圖如圖6所示，氣泡狀空洞的具體產(chǎn)生原因如下：在高溫密封過程中，蓋板鍍層中的氣體受熱釋放，這些氣體進入到熔融的焊料中。之后隨著溫度的降低，焊料發(fā)生凝固，在熔融焊料中沒來得及釋放的氣體也就被封在了焊料中，形成了最終的空洞。針對此類空洞，相應(yīng)的解決措施是在密封前對蓋板進行烘焙預(yù)處理，進而排除蓋板釋氣對密封的影響。

圖5 未處理蓋板合金熔封后的失效照片

圖6 氣泡狀空洞產(chǎn)生機理的示意圖

低溫除氣處理蓋板合金熔封后失效電路的典型X射線照片如圖7所示。從圖7中可以看到，利用低溫除氣處理蓋板進行合金熔封后，電路的四角和四邊，依然會存在大小不一的氣泡狀空洞。但是，與未處理蓋板的合金熔封結(jié)果相比，空洞位置發(fā)生了一定程度的變化，空洞主要集中分布在密封區(qū)域的外側(cè)。這說明對蓋板進行低溫除氣處理的確會消除一部分氣泡狀空洞。

圖7 低溫除氣處理蓋板合金熔封后的失效照片

高溫除氣處理蓋板合金熔封后失效電路的典型X射線照片如圖8所示。從圖8中可以看到，利用高溫除氣處理蓋板進行合金熔封后，電路中大量的氣泡狀空洞基本消失。這說明對蓋板進行高溫除氣處理，基本可以完全消除氣泡狀空洞。

圖8 高溫除氣處理蓋板合金熔封后的失效照片

3.4 3種蓋板熔封后電路的良率統(tǒng)計

3種蓋板熔封后電路的良率結(jié)果對比如表2所示。由表2可知，采用未處理蓋板合金熔封的20只電路中，密封寬度均未超過75%，封帽良率為0%。采用低溫除氣處理蓋板進行合金熔封的20只電路中，有6只密封寬度超過了75%，封帽良率為30%。而利用高溫除氣處理蓋板進行合金熔封的20只電路中，密封寬度超過75%的有16只，封帽良率達到了80%。對比3組試驗的結(jié)果，可知對蓋板進行高溫除氣處理確實有利于空洞的消除和封帽良率的提升。

表2 3種蓋板合金熔封

4 結(jié)束語

文章以一款封裝形式為CFP14的電路為研究對象，通過對未處理蓋板、低溫除氣處理蓋板和高溫除氣處理蓋板合金熔封后的失效電路進行X射線分析，明確了熔封過程中蓋板釋氣對密封空洞產(chǎn)生的影響及其程度。蓋板除氣處理結(jié)果表明：低溫除氣處理可以消除一部分氣泡狀空洞，而高溫除氣處理基本可以完全消除氣泡狀空洞。因此，對于熔封過程中蓋板釋氣產(chǎn)生的氣泡狀空洞，在合金熔封前預(yù)先對蓋板進行高溫除氣處理是消除此類空洞的有效措施。