平行缝焊用盖板可靠性研究

1 引言

　　目前平行缝焊工艺在有气密性要求的各种电子封装中大量使用。由于密封过程中封装体的温升较低、不使用焊料、对器件性能影响较小、焊接强度高等优点，在对温度较敏感的电子元器件，如集成电路、混合集成电路、表面安装型石英晶体振荡器、谐振器以及声表面波滤波器(SAW)等电子元器件封装中普遍采用。其封装气密性可达：漏率L≤1×10-3Pa·cm3/S(He)，是一种可靠性较高的封帽方式，可用于气密性要求较高的封装中。

　　平行缝焊虽然是一种可靠性较高的封帽方式，但作为平行缝焊重要部件--平行缝焊用盖板，它是平行缝焊重要的结构性材料，对封装中气密性及气密性成品率有重要影响。要想提高平行缝焊的可靠性，除了封装底座要有高的质量，还必须要有高质量的盖板。而高质量的平行缝焊盖板必须具备：①热膨胀系数与底座焊环的相同，与瓷体的相近。②焊接熔点温度要尽可能低。③耐腐蚀性能优良。④尺寸误差小。⑤平整、光洁、毛刺小、沾污少等特性。下面就分别阐述高质量平行缝焊盖板所必需具备的几个要素。

　　2 热膨胀系数的匹配

　　平行缝焊盖板的热膨胀系数主要取决于盖板基础体材料本身。首先要依据底座焊环的热膨胀系数来决定盖板基体材料的选择。目前用量最大的是氧化铝陶瓷底座，其次就是可伐(KOVAR合金)底座。而与陶瓷膨胀系数相匹配的金属焊环是KOVAR合金或4J42铁镍合金。因此，我公司生产的平行缝焊用盖板均采用KOVAR合金材料，与陶瓷底座相匹配。这一材料封帽成品率高(≥99.5%)，封装后器件经-55℃～+150℃、50次循环，漏气L≤9×10-8～7×10-10atm·cm3/s(相当于9×10-3～7×10-5Pa·cm3/s(He))。

　　3 焊接熔点温度要求

　　平行缝焊焊接熔点温度高低对于保护电子元器件性能不受影响是个比较关键的技术问题。我们知道半导体器件、石英晶体振荡器对于高温都比较敏感。如果封装体温升偏高，会使石英晶体振荡频率偏离设计范围、误差加大，甚至使器件失效。为了保护所封装电路及石英晶体振荡器等电子元器件性能及成品率，必须努力降低焊接熔点温度，以减少封焊时所产生的温升。有时温升太高，还会使陶瓷底座与焊环因应力而开裂、甚至使焊环金属化脱落等，造成整个器件报废，降低焊接熔点温度有利于提高封帽的成品率和可靠性。而KOVAR材料熔点为1460℃，铁镍合金4J42熔点也高达1440℃，若要降低平行缝焊焊接熔点温度，就要在盖板镀层上来解决问题。平行缝焊盖板常用镀镍、镀金或镀镍合金的工艺。纯镍的熔点为1453℃，纯金的温度为1063℃。我们开始采用电镀镍，发现无法降低熔点焊接温度。因为电解镀镍接近于纯镍，其熔点温度高，在用户焊接时需要采用较大的电流，可焊性差。只有合金镍才能有效降低熔点温度。化镀镍合金有镍磷合金和镍硼合金，而含磷量在12.4Wt%时达到最低。参见图1和图2。

　　从图1可以看出，镍磷合金最低熔点880℃，比镍硼最低温度1093℃低。显然采用镀镍磷合金较优。但含磷量也不宜太高，太高了玻璃相增多，硬度太大，平行缝焊时易产生微裂纹。采用含磷量适中的工艺配方，在实际生产及用户使用中均取得了满意的效果。镀镍盖板在经氢气炉中高温(780℃)退火和不退火，其使用效果无明显差异。

　　选用化镀镍磷，还有一种考虑，就是镀层的体电阻和接触电阻、化镀镍磷镀层的电阻比较大，其电导率一般为(1.47～2.22)×106n-1·m-1，电解镀层的电导率为13.7×106n-1·m-1。显而易见，化学镀镍层的电阻要比电解镀镍层大。因平行缝焊实质上是电阻焊，在焊接过程中其电阻集中在电极与盖板接触处，也就是镀层部位应要有较大电阻，体电阻大的镀层其接触电阻大，这样脉冲电流通过时，其产生的热量就集中在电极接触处，使接触处盖板与焊框熔融而结合在一起。因此其电阻大些是有好处的。

　　4 耐腐蚀性能

　　作为高可靠平行缝焊盖板，耐锈蚀性能是非常重要的。尤其是器件在潮湿及海洋性气候条件下工作。如果耐腐蚀性差，该器件将很快锈蚀穿孔而失效。因此人们在盖板镀镍工艺配方及工艺优化上做了大量的工作。发现化镀镍的耐腐蚀性能在镀层厚度同样条件下要比电解镀镍的好、酸性化镀镍的要比碱性化镀镍的好、镀层厚些的要比镀层薄些的好、仅镀镍的要比镀镍后再镀金的好、基体材料光洁度高的要比光洁度低的好。国外许多有耐腐蚀要求的军用盖板就只镀镍而不镀金。我公司镀镍的盖板在某晶振生产厂的摸底试验中已通过了温度40℃、相对湿度90%～95%、500小时耐腐蚀考核，其结果与日本同类产品不相上下。

　　5 平行缝焊盖板尺寸的确定及误差

　　平行缝焊工序一般是产品生产中较后的重要工序，其成品率的高低对成本影响很大。尤其在当今电子元器件规模化产业化大生产中，对产品的成品率及可靠性提出了非常苛刻的要求，成品率要达到99.8%以上，因此要求对盖板尺寸精度提出更高的要求。作为IC封帽用的平行缝焊，盖板尺寸应比焊环尺寸小0.10～0.20mm，作为石英晶体振荡器外壳平缝焊盖板尺寸也应比焊环尺寸小0.05～0.2mm，但确定尺寸后其同一批产品公差应在±0.03mm之内，否则平行缝焊过程中的成品率会出现较大波动，甚至使生产无法正常进行。 6 平行缝焊盖板平整度、毛刺及表面质量平行缝焊盖板要求平整度高，其材料就要求平整，不应有弯曲现象。成品盖板的平整度应小于0.005mm/mm，毛刺也应小于0.005mm，否则对封帽气密性及气密性成品率、封帽强度也有影响。表面光洁度、尘埃等亦对器件产品质量有极大影响。要求尘埃粒度尽可能小，数量尽可能少。尤其作为高密度封装的集成电路及声表面波(SAW)其尘埃粒度应小于1μ，粒数不能超过4个。因此盖板生产涂镀及盖板检验及包装均应在洁净车间进行。

　　7 小结

　　以上阐述了平行缝焊用盖板封装可靠性相关的五个问题，每个均对封装质量及其可靠性有较大影响，缺一不可。我们在这方面做了一些研究和探索，不足之处希望各位专家、读者批评指正。在工作中我们得到清华大学贾松良教授、中科院电子所许维源高工、中电科技58所丁荣峥主任的指导和帮助，在此深表谢意!