李艷紅，劉 森

(華北光電技術研究所，北京 100015)

紅外探測器用藍寶石濾光片焊接工藝研究

李艷紅，劉 森

(華北光電技術研究所，北京 100015)

針對某型號探測器組件上用的Al2O3藍寶石濾光片與可伐冷頭釬焊的成品率低、后期失效問題突出等問題展開研究，找到了影響濾光片焊接成品率的幾個關鍵因素，并針對這些因素提出解決方案，并通過一系列環(huán)境試驗驗證其可靠性，大幅提升了寶石窗口密封焊接工藝成品率。

藍寶石;濾光片;可伐;焊接

1 前 言

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

Al2O3藍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30年代發(fā)展起來的燒結金屬粉末法(簡稱Mo-Mn法)和PVD技術沉積金屬層、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膜，由于膜系設計所限，僅能承受最高350℃高溫，所以只能選用間接釬焊法。

目前，國內(nèi)用的藍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，不能達到生產(chǎn)要求。同樣的，低成品率也會帶來相應的低可靠性。針對此問題展開研究，希望提高其一次性焊接成品率和可靠性。

2 試驗材料和工藝

2.1 試驗材料

試驗用結構件為某型號探測器，其真空結構如圖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性，必須對做完金屬化的寶石片表面進行處理，實驗所選用的方法是鍍金處理和AgCu28焊料皮燒結處理。

圖1 試驗用結構件示意圖

試驗用的濾光片分為幾種，如表1所示。

表1 濾光片分類

試驗所選用的焊料為PbSn63共晶焊料，熔化溫度183℃，遠低于350℃，材質較軟，緩沖溫度沖擊應力。助焊劑選用松香助焊劑。

2.2 試驗工藝

首先在結構零件焊接面和濾光片的金屬化區(qū)域都預鍍一層PbSn63共晶焊料，然后將結構零件和濾光片裝配好，裝入充氣焊接系統(tǒng)，焊接溫度設定為(220±10)℃，保溫時間(50±3)s，進行焊接(每種濾光片焊10片，總計焊接40片)。

3 試驗結果

完成焊接試驗后，對焊接完成的結構件進行檢漏操作，結果表2所示。

表2 檢漏結果(濾光片序號為表1中的編號)

檢漏操作完成后，對檢漏合格的零件進行77～333K的高低溫沖擊試驗(由于條件所限，只能用液氮和普通烘箱作為環(huán)境條件，將實驗件置入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cyc)，每次沖擊完成后，都對其進行檢漏操作，其結果如表3所示。

表3 沖擊試驗結果(濾光片序號為表1中的編號)

4 試驗結果分析

對比以上實驗結果，可知:

(1)沒有鍍膜的Al2O3寶石片焊接成品率明顯要比經(jīng)過鍍膜處理的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)過溫度沖擊后，隨著沖擊次數(shù)的增加成品率明顯會降低。因此，鍍金工藝是影響寶石片焊接成品率和可靠性的一個重要影響因素。

4.1 鍍膜工藝對金屬化區(qū)域污染

針對Al2O3寶石片的鍍膜工藝展開調查，發(fā)現(xiàn)一個明顯的工藝缺陷。目前國內(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，整個工藝過程長達8h，盡管在整個工藝過程中有工裝來遮擋，但是在長時間的鍍膜過程中，金屬化區(qū)域必然會被鍍膜所產(chǎn)生的SiO和Ge蒸汽所污染。在X－Ray下檢測焊縫區(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，導致PbSn63焊料無法浸潤金屬化區(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

通過以上分析可知，鍍膜工藝對Al2O3的影響很大，在鍍膜過程中必須要對金屬化區(qū)域進行嚴格的保護，否則會導致焊縫區(qū)域出現(xiàn)大量的氣孔和夾渣等缺陷，如果污染嚴重的話對于整體結構的可靠性和氣密性都有很大影響。因此鍍膜工藝對金屬化區(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題，同時，Au元素能夠迅速溶解于液態(tài)Sn基焊料中，極大地改善其浸潤性，從而使AuSn合金具有高可靠性、高強度等優(yōu)點，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芯片級封裝等方面得到廣泛的應用［2－3］。

雖然Au元素有上述應用，但是，液態(tài)SnPb釬料同鍍Au金屬化區(qū)域界面反應的初始生成相是針狀AuSn4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的供應充足，那么隨著重熔時間的增加，AuSn4的形態(tài)由針狀演變?yōu)閷訝?，且在AuSn4/Au界面形成AuSn2［4］。Au－Sn化合物的維氏硬度高達750，僅次于玻璃。從晶體結構和實測性能數(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，國內(nèi)外對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)常使用到的國內(nèi)外的軍工行業(yè)標準有關鍍金表面去金的要求如表4所示。

表4 標準中對工藝的要求

雖然試驗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)，沒有足夠的Au元素向焊料中擴散而產(chǎn)生脆性。但是，有研究表明，在150℃老化后，釬料內(nèi)部的細小的針狀AuSn4逐漸分解，通過固態(tài)擴散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)生反應形成(Au0.5Ni0.5)Sn4，它的增長是由擴散控制的。老化之后重新形成的Au-Sn化合物同Ni3Sn4之間的界面，強度很低，很容易萌發(fā)裂紋［7］。

因此可以判斷，在經(jīng)過77～333K的高低溫沖擊試驗后，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，這些微裂紋會逐步增長，最終成長為影響整個結構氣密性的裂紋。

5 焊接工藝優(yōu)化及結果

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

(1)對鍍膜工藝進行控制，在鍍膜時，對金屬化區(qū)域進行保護。

(2)對鍍金區(qū)域進行搪錫處理。(用吸錫槍將表面的焊料處理干凈)

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

6 結論

(1)Al2O3藍寶石濾光片在制備光學膜的過程中會對金屬化區(qū)域造成污染，進而影響到其焊接性，因此在鍍膜工藝中，必須要對金屬化區(qū)域做嚴格的保護，防止出現(xiàn)氣孔，夾渣等缺陷。

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

以上兩點是藍寶石濾光片焊接工藝過程中影響焊接成品率和可靠性的兩個重點，必須嚴加控制。

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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器結構設計、工藝設計及可靠性技術研究。

2013-07-22