黎小剛,許健

(中國電子科技集團公司第44研究所,重慶400060)

TO型封裝的真空儲能焊密封工藝研究

黎小剛,許健

(中國電子科技集團公司第44研究所,重慶400060)

研制了一種采用儲能焊實現(xiàn)TO型封裝半導(dǎo)體器件的真空密封裝置.該裝置由疊形波紋管、密封圈及氣室外殼的配合形成上、下氣室,利用磁鐵同性相斥原理將待密封的管帽與管座分離及定位,達到抽真空時充分排氣的目的.實驗探索了TO器件的真空封裝工藝,一次壓力為0.4 MPa、二次壓力為0.6 MPa、充電電壓為350 V時封口質(zhì)量最好.對密封后的器件進行了焊接強度及氣密性測試,封口強度高,無漏氣現(xiàn)象.

真空封裝;儲能焊;TO封裝

1　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,高性能的射頻、慣性、機械諧振器和微型傳感器等器件都需要進行真空封裝,高真空能有效減小空氣阻尼對器件靈敏度的影響,得到穩(wěn)定且準確的信號數(shù)據(jù),并提高器件的壽命.

目前TO器件真空封裝主要采用真空回流焊工藝,真空回流焊需將待封裝件配合,因此排氣時間不能保證排氣充分,故該工藝一致性較差,成品率較低.本文采用真空儲能焊技術(shù)來解決TO器件的真空封裝,研制一種真空儲能焊裝置,將真空系統(tǒng)與普通儲能焊系統(tǒng)有機結(jié)合起來,實現(xiàn)了TO型器件的真空封裝.

2　真空儲能焊外殼概述

本文采用TO8型金屬外殼.此外殼由管座和管帽兩部分組成,如圖1所示.高靈敏度陀螺儀所用的此種器件芯片需在磁場中工作,故管帽中固定一柱狀磁鐵.管座由底板、引腳、絕緣子組成.管座和管帽均采用可伐合金(Kovar)材料制作,管帽上鍍一層厚度為3～8μm的鎳;管座可伐基材上先鍍一層厚度為3～8 μm的鎳,鎳層上鍍厚度為1.3～5.7 μm的金層,鍍金層可提高外殼抗腐蝕性能和焊接質(zhì)量.

圖1　管座與管帽圖

3　真空儲能焊裝置主體設(shè)計

裝置由上氣室、下氣室、氣室監(jiān)測真空計以及管路、閥等組成.設(shè)計的真空儲能焊裝置如圖2所示.下氣室連接一真空計,并與排氣系統(tǒng)相連.裝置總高度約為65 mm,其氣室最大外徑為90 mm.

圖2　真空儲能焊裝置

3.1裝置選材

影響真空度的因素很多,其中真空系統(tǒng)的材料選擇很關(guān)鍵.由于在真空容器器壁兩側(cè)的氣體總是存在壓力差,所以任何種類的器壁材料總要或多或少地滲透一些氣體.氣體從密度大的一側(cè)向密度小的一側(cè)滲入、擴散、通過和溢出.

除了考慮材料的滲透率,還要考慮材料的常溫放氣.材料放氣分為自身放氣和吸附放氣.所有零部件表面要求較高的光潔度.

根據(jù)真空材料的選擇原則及要求,優(yōu)先選用具有足夠低的飽和蒸汽壓、化學(xué)及熱穩(wěn)定性好、有一定力學(xué)性能的材料.真空系統(tǒng)中常見的材料見表1.

表1　真空系統(tǒng)中的常用材料

依據(jù)表1,裝置主體材料采用不銹鋼,電極材料用NBC銅合金.此種銅合金材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、低放氣性,具有高硬度且耐磨損,作為電極經(jīng)久耐用,不易磨損變形.

3.2上氣室設(shè)計

上氣室由上氣室殼、上電極、上電極固定座、不銹鋼疊形波紋管[1]、密封圈、彈頂裝置和定位螺母組成.由于儲能焊后的器件留在上電極中,為了便于取件,在上電極中設(shè)計了彈頂裝置,彈頂裝置由彈頂器和彈簧組成.彈簧的彈力遠小于儲能焊預(yù)壓力.彈頂器將封裝好的器件垂直彈出電極內(nèi)孔.

上電極既要在上氣室有限的空間里具有較大的伸縮量,又要與下氣室形成密封體,故采用不銹鋼疊形波紋管來實現(xiàn)這一功能.結(jié)合上焊臂與下焊臂之間的空間選用壓縮率在50%～85%、使用壽命為十萬次至幾百萬次的疊形波紋管.具體參數(shù)如表2,實物照片如圖3所示.

表2　波紋管主要技術(shù)參數(shù)

圖3　波紋管

3.3下氣室設(shè)計

下氣室主要由下氣室殼、下電極、密封圈、絕緣套及絕緣密封螺母組成.在下電極中心固定一根磁鐵固定柱,固定柱上端內(nèi)孔安裝磁鐵.O型密封圈既起密封作用又起絕緣作用,將下電極與氣室之間絕緣.下氣室如圖4所示.

圖4　下氣室裝配示意圖

上電極、下電極中心各固定一圓柱形磁鐵,兩磁鐵相對面磁極相同.上磁鐵用于固定管帽,下磁鐵將管座吸附固定在下電極工作端面上,利用磁鐵同性相斥原理將管帽與管座分離充分排氣.

3.4真空儲能焊焊接測試

裝置裝配好后首先進行密封性測試.由機械泵和分子泵組成的兩級抽真空系統(tǒng)對裝置抽真空10 min,連接氣室的真空計顯示2.5 Pa.此讀數(shù)近似認為是裝置中的真空度,也是器件封裝后的真空度.

抽真空時,電極受到的大氣壓力可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程算出:

儲能焊[2]過程包括3個階段,即焊件預(yù)先壓緊、通電將焊接區(qū)加熱到焊縫金屬熔點以上、在壓力作用下冷卻凝固.具體的真空封裝過程如下:上下氣室閉合與密封圈形成一個密封的腔體,真空泵通過真空系統(tǒng)對裝置進行排氣.當達到所需真空度時,松開定位螺母,依靠大氣壓對上電極的壓力,上電極通過導(dǎo)向器推動管帽與管座精確配合,上焊臂給電極施加一個壓力,使焊件焊接面充分接觸;上電極、下電極同時放電,電流在管帽和管座接觸處形成的高電阻產(chǎn)生大量的焦耳熱量,使得管帽和管座接觸處的焊縫金屬被加熱至熔融狀態(tài),然后上焊臂向下動作,對焊件施加二次壓力,直至熔融金屬凝固.上焊臂向上運動復(fù)位,關(guān)閉抽真空系統(tǒng),放氣,拿出裝置并打開,取出密封好的器件,真空密封結(jié)束.

4　真空儲能焊封裝工藝及密封檢測

通過多次試驗,得出一套完整的真空密封工藝參數(shù):

(1)烘烤:將待密封的外殼和裝置放入真空烘箱,在150℃下烘烤48 h;

(2)排氣:打開真空閥,抽氣速率≥4 L/s的真空泵抽真空10 min;

(3)封裝:儲能焊機充電電壓350 V,氣缸一次壓力0.4 MPa,二次壓力0.6 MPa;

(4)取件:關(guān)閉真空泵,放氣并移開上氣室,取件.

4.1焊接質(zhì)量檢測

器件焊接完成后要對其焊接質(zhì)量進行檢測,焊接質(zhì)量指標就是焊接強度.焊接完的器件如圖5(a)所示,焊縫局部放大圖如圖5(b)所示.

圖5　密封后的器件

使用拉力計對焊接接頭強度進行拉伸實驗測試.拉力計一端裝夾管帽外圓,另一端裝夾管座法蘭外圓,如圖6所示.對密封好的管殼進行破壞性拉伸試驗.根據(jù)拉伸實驗可得出殼體材料為可伐合金時拉伸實驗曲線圖,如圖7.

圖6　器件拉伸實驗示意圖

圖7　 TO8真空儲能焊后的拉伸強度測試曲線

4.2真空儲能焊器件氣密性檢測

氣密性檢測實質(zhì)上就是對封接后的器件進行密封檢測,也稱為檢漏.檢漏分為細檢漏和粗檢漏兩種.檢漏依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》標準中方法1014.2試驗條件A1,通過計算封裝管殼內(nèi)腔體積V來確定試驗條件.焊接好的器件先裝入合適的氦氣壓力室,經(jīng)過標準規(guī)定的時間,取出器件用氦質(zhì)譜儀細檢.細檢后不漏的器件浸入低溫沸油,并按標準對低溫沸油施加一定壓力,經(jīng)過標準規(guī)定的時間,取出器件在煮沸的高溫沸油內(nèi)觀察器件封裝部位有無氣泡來判定儲能焊管殼的密封性.

對多批次器件密封后用氦質(zhì)譜檢漏儀進行漏率測試的數(shù)據(jù)見表3.依表3可以看出密封后器件漏率R1都小于5X10-9Pa.m3/s,甚至能達到5X10-10Pa. m3/s.該漏率低于GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》標準.

4.3封裝器件真空度檢測

器件封裝好后要對其進行真空度檢測.由于器件是在裝置的真空環(huán)境中焊接的,氣室連接的真空計讀數(shù)就是器件的真空度.另一種檢測方法是利用晶振在不同真空度下阻抗不同的性質(zhì),通過測量阻抗來間接測量真空度[3～5].晶振的阻抗是由設(shè)計的阻抗提取電路實現(xiàn),該阻抗值用電路的輸出電壓值表示.先對一批常壓下密封的器件進行標定,得到真空度與輸出電壓的關(guān)系曲線,如圖8.再對真空密封的器件測其在該電路中的輸出電壓,根據(jù)測得的電壓值查標定曲線就可得到真空密封器件腔體內(nèi)的真空度.由曲線可以看出,真空度在20 Pa以下輸出電壓較穩(wěn)定.

5　結(jié)論

本文研制了一套利用儲能焊實現(xiàn)半導(dǎo)體器件TO真空封裝的裝置.該裝置由波紋管和密封圈及殼體配合形成上氣室,封裝前抽真空時利用磁鐵同性相斥原理使待焊接管座及管帽分離定位,短時間內(nèi)充分排氣.進行了多次真空焊接實驗,得到了最佳真空封裝工藝條件,對封裝好的器件進行了封裝強度及密封性檢測.

表3　TO8管殼漏率測試表

圖8　晶振的標定曲線

利用本裝置,對彈頂器略做改變,在頂出端固定一枚與下電極磁鐵磁極相斥的磁鐵即可適用于管帽中無磁鐵管殼的真空封裝.利用本裝置可以實現(xiàn)在普通儲能焊機上進行真空焊接.

[1]王斌,許沂.疊形波紋管的設(shè)計與制造[J].航空與航天制造技術(shù),2011,16.

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[3]齊本勝,王華平,凌明芳.智能石英晶振真空計的軟件設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工業(yè)版),2002,36(1):52-55.

[4]劉斌,徐電,等.石英晶振真空傳感器及真空計的研制[J].真空電子技術(shù),1995(5):17-230.

[5]黃天戍,陳苒菁.石英晶振頻率的測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].中國儀器儀表,2005(10):83-86.

Semiconductor Devices TO Vacuum Packaging Based on Discharge Welding

LI Xiaogang,XU Jian
(China Electronics Technology Group Corporation No.44 Research Institute,Chongqing 400060,China)

In the article,a TO vacuum packaging equipment based on discharge welding is presented.The top and bottom air chambers are formed by V-shaped bellows,sealing rings and the shell of air chambers.Caps and bases to be packaged are separated and positioned by magnet to achieve sufficient air discharge.Experiments shows that the optimal packaging performance is achieved under first pressure of 0.4 MPa,second pressure of 0.6 MPa and charging voltage of 350 V.The soldering strength and air tightness of packaged devices are also tested.

vacuum packaging;discharge welding;TO packaging

TN305.94

A

1681-1070(2016)06-0010-04

2016-2-18

黎小剛(1979-),男,甘肅隴南人,畢業(yè)于重慶大學(xué),現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第44研究所,工程師,主要從事半導(dǎo)體光電外殼研究.