田愛民，趙鶴然

金錫合金密封空洞控制技術(shù)研究

田愛民，趙鶴然

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

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，對密封空洞的控制有很高的要求，基于此，以某型號控制電路需求為依托，針對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、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關(guān)鍵因素上進(jìn)行優(yōu)化方法對比實(shí)驗，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。

金錫合金；密封空洞；高可靠

1 引 言

金錫合金[1]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[2]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，它的存在會使產(chǎn)品的密封強(qiáng)度和氣密性降低，隨著服役時間的延長，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、焊接氣氛等。近年來隨著X射線設(shè)備的普及和宇航級半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范的推廣，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶都對密封空洞控制提出了明確的要求。

以某型號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

與管殼密封區(qū)相匹配的焊料環(huán)設(shè)計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，無法填滿整個密封區(qū)域，必然會在邊緣或者內(nèi)部形成密封空洞，一些部位的焊料層厚度也會明顯比周圍的區(qū)域要薄，這就對密封可靠性造成非常大的隱患；如果焊料環(huán)的寬度相對于密封區(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[3]。

控制焊接氣氛的核心要素有兩個，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[4]。

2.4 溫度曲線

焊接溫度[5]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，相當(dāng)于是對焊料融化和流淌過程的精確控制。在焊接溫度設(shè)計中，溫度過高或者加熱時間過長，焊料熔融劇烈，流淌性很強(qiáng)[6]，部分焊料會溢出封焊區(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)計缺陷，對焊料提供鋪展的驅(qū)動力，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，可以排除焊料中吸附的氣體成分，從而降低密封的空洞[7]。

3 密封工藝優(yōu)化方法及實(shí)驗結(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、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。上述三個因素如果出現(xiàn)異常，密封效果會出現(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，還會衍生出新的失效模式。

（1）焊料環(huán)優(yōu)化設(shè)計

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ε3，三個寬度必須符合一定的比例，且倒角設(shè)計要求密封區(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)計的關(guān)鍵，不同生產(chǎn)線應(yīng)有不同的控制規(guī)范。

圖1 封焊環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)方法

圖2 為焊料環(huán)優(yōu)化前后的密封效果對比圖，從圖中可以看出，焊料環(huán)設(shè)計過窄，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)計后，焊接效果良好，基本無空洞。

圖2 焊料環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計前后密封效果對比

（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[8]小于1.0Pa，氮?dú)饧兌仍?9.999%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比。

圖3 焊接氣氛控制前后密封效果對比

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

圖4是某型號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，最大空洞的寬度占設(shè)計寬度的20%左右。通過大量工藝曲線優(yōu)化實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在溫度曲線中，峰值溫度對密封空洞的尺寸大小有非常大的影響，其余條件對空洞影響則較小。

圖4 優(yōu)化前金錫合金密封工藝曲線

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

圖5 不同峰值溫度時的密封效果

表1 峰值溫度與密封空洞關(guān)系表

從結(jié)果可以看出，峰值溫度在330℃時，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

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。

圖6給出了不同焊接壓力時的密封效果對比。

表2是不同焊接壓力時，最大空洞寬度占設(shè)計密封寬度的比值。

圖6 不同焊接壓力時的密封效果

表2 焊接壓力與密封空洞關(guān)系表

根據(jù)表2中的結(jié)果可以看出，當(dāng)焊接壓力小于2N時，密封空洞尺寸很大。焊接壓力在8N時，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，對密封效果進(jìn)行了X射線照相驗證，圖7是X射線照相檢驗結(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。

圖7 優(yōu)化密封控制方法在其他電路上推廣情況

5 結(jié)束語

通過對陶瓷管殼集成電路密封空洞的實(shí)驗研究，得到了金錫合金密封空洞控制的基本前提和關(guān)鍵因素。從試驗結(jié)論可以看出，焊料環(huán)尺寸設(shè)計、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關(guān)鍵項，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，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。

[1] 李金龍,談侃侃,張志紅,等.AuSn合金在電子封裝中的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].微電子學(xué),2012,42(4)：539-546.LIJinlong,Tan Kankan,Zhang Zhihong,et al..Application and Research Progressof AuSn Alloy in Electronic Packaging[J].Microelectronics,2012,42(4)：539-546.

[2] 周濤,湯姆·鮑勃,馬丁·奧德,等.金錫焊料及其在電子器件封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子與封裝,2005,5(8)：5-8.Zhou Tao,Tom Bobal,Martin Oud,etal..Au-Sn Solder and Its Application in Electronic Device Packaging[J].Electronics and Packaging,2005,5(8)：5-8.

[3] 劉艷,徐驍,陳潔民,等.真空爐金錫封焊[J].電子與封裝,2012(10)：1-2.Liu Yan,Xu Xiao,Chen Jiemin,etal..AuSn Solder Packaging in Vacuum Oven[J].Electronics and Encapsulation,2012(10)：1-2.

[4] 王濤.金錫焊料低溫焊料焊工藝控制[J].集成電路通訊,2005(3)：8-11.Wang Tao.Welding Process Control of Low Temperature Weldingfor Au-SnSolder[J].Integrated Circuit Communications,2005(3)：8-11.

[5] 李丙旺,徐春葉.半導(dǎo)體AuSn焊料低溫真空封裝工藝研究[J].電子與封裝,2011,11(2)：4-8.Li Bingwang,Xu Chunye.Researchon Low TemperatureVacuum Packaging Processwith Semiconductor Au-Snsolder[J].Electronicsand Packaging,2011,11(2)：4-8.

[6] 姚立華,吳禮群,蔡昱,等.采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究[J].電子工藝技術(shù),2010,31(5)：267-270.Yao Lihua,Wu Liqun,Cai Yu,et al..Research on the Air Tightness Packaging Process with Au-SnAlloy[J].Electronics Process Technology,2010,31(5)：267-270.

[7] 賈耀平.功率芯片低空洞率真空共晶焊接工藝研究[J].中國科技信息,2013(8)：125-126.Jia Yaoping.Research on the Low Voidage Vacuum Eutectic Welding Process of Power Chips[J].China Science and Technology Information,2013(8)：125-126.

[8] 高能武,季興橋,徐榕青,等.無空洞真空共晶技術(shù)及應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù),2009,30(1)：16-18.Gao Nengwu,Ji Xingqiao,Xu Rongqing,et al..Cavity-free Vacuum Eutectic Technology and Application[J].Electronics ProcessTechnology,2009,30(1)：16-18.

Research on Technique of Controlling Sealing Cavity with Au-SnAlloy

Tian Aimin，Zhao Heran
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Au-Sn alloy sealing process is widely used in high-reliability military electronic components,and the control of the sealing cavity is in high demand.Based on the above,and depending ona control circuitof some model,the basic premise and the key factors which affect the sealingcavity are researched for sealing cavity controlling technique with ceramic airtight packing.The designing of solder rings,the welding atmosphere and the surface condition of the raw material are presented as the basic preconditions to determine whether the sealingcavitycan be effectively controlled.Optimization methods comparison experiment is conducted on the two key factors of welding peak temperature and welding pressure,after that,the best effective method of improving the level of controlling sealing cavity is obtained.The results are extended to a variety of package formsand contribute toimprove the sealing quanlity of military components,which can be widely usedin the core circuit packaging of aerospace and space equipment instruments,and have certain guiding significance in the industry.

VAu-Snalloy；Sealing cavity；High-reliability

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.012

B

1002-2279-（2017）06-0052-06

田愛民(1990-)，男，遼寧省沈陽市人，工程師，主研方向：微電子封裝。

2017-11-27