田愛民 趙鶴然

（中國電子科技集團公司第四十七研究所）

轉自：半導體封裝工程師之家

摘要：

金錫合金密封工藝廣泛應用于高可靠軍用電子元器件產品上，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，研究了影響密封空洞的基本前提和關鍵因素。提出了焊料環設計、焊接氣氛、原材料表面狀態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鍵因素上進行優化方法對比實驗，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量，可廣泛應用于航空航天和空間設備儀器的核心電路封裝中，在行業內具有一定的指導意義。

1 引言

金錫合金密封是高可靠性集成電路封裝行業內的主流密封技術，具有焊接強度高、耐腐蝕性強、氣密性良好的特點，廣泛使用在航空、航天、導彈、船舶等高可靠元器件上。對于航天和軍用產品氣密封裝，主要關注氣密性、內部氣氛、焊接強度、密封空洞等方面，隨著密封技術的不斷提升和設備能力進步，大多數問題都已解決，成品率得到很大提升，但是在密封空洞控制技術上還沒有形成統一明確有效的控制方法和技術標準。

密封空洞是一種較為常見的封裝質量隱患，它的存在會使產品的密封強度和氣密性降低，隨著服役時間的延長，極易誘發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、焊料環設計、焊接氣氛等。近年來隨著 X 射線設備的普及和宇航級半導體集成電路通用規范的推廣，行業內大多數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，分別闡述密封空洞控制的基本前提和主要因素，總結各種常見失效現象的原因和機理，提出一種有效規范的密封空洞控制方法。

2 密封空洞的影響因素

2.1 焊料環設計

與管殼密封區相匹配的焊料環設計是控制焊接空洞的基本前提之一。

在低溫燒結密封過程中，焊料環的寬度決定了焊料融化后可以有效鋪展的范圍。

如果焊料環的寬度相對于密封區域過窄，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域，必然會在邊緣或者內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域要薄，這就對密封可靠性造成非常大的隱患；如果焊料環的寬度相對于密封區域過寬，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。

根據金錫合金的氧化機理，氧易與金錫合金中的錫反應生成金屬氧化物，在表面形成氧化膜，反應過程如下式所示。

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，導致焊料熔融狀態鋪展不良，形成焊接空洞。

控制焊接氣氛的核心要素有兩個，一是保護氣體的純度，二是焊接爐腔體內抽真空的真空度。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

表面狀態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。進一步，采用等離子清洗對管殼表面和蓋板焊料環表面進行清洗，以去除原材料表面的氧化物和有機物。

2.4 溫度曲線

焊接溫度曲線是控制焊接空洞的核心要素之一。

溫度曲線的精確設計，相當于是對焊料融化和流淌過程的精確控制。在焊接溫度設計中，溫度過高或者加熱時間過長，焊料熔融劇烈，流淌性很強，部分焊料會溢出封焊區域，造成密封區內焊料不足，進而形成空洞；反之，焊料熔化不充分，熔融后的焊料較脆，鋪展效果不好，邊緣區域的焊接效果無法保證，多發空洞現象。

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、焊料狀態之間存在微妙的平衡。一方面，焊接壓力的施加，可以彌補焊接溫度、焊料狀態等因素的設計缺陷，對焊料提供鋪展的驅動力，加強焊料的鋪展作用。另一方面，焊接壓力與空洞的控制關系非常密切，適當的加壓一方面可以使母材和焊料形成緊密的接觸，有利于金鍍層與金錫焊料之間擴散反應的進行；除此之外，由于焊料受到擠壓沿著焊接面間隙外溢運動，可以排除焊料中吸附的氣體成分，從而降低密封的空洞。

3 密封工藝優化方法及實驗結果

3.1 密封空洞控制的前提

在 2.1-2.3 中已經提到，焊料環的設計、焊接氣氛的控制、原材料表面狀態是控制密封空洞的前提。上述三個因素如果出現異常，密封效果會出現較大的偏差，在比較嚴重的情況下，不但密封空洞難以控制，還會衍生出新的失效模式。

（1）焊料環優化設計

要想確保密封完成后焊料在合理范圍內流淌，焊料環寬度ε1，焊料環距密封區內側距離 ε2，蓋板外側密封區寬度ε3，三個寬度必須符合一定的比例，且倒角設計要求密封區內側倒角與焊料環內側倒角半徑一致，密封區外側倒角與焊料環外側倒角半徑一致，如圖 1 所示。經過大量實驗總結出，ε2 在0.005-0.010 英寸，ε3 在 0.010-0.015 英寸。ε1、ε2、ε3 的比例關系是焊料環設計的關鍵，不同生產線應有不同的控制規范。

圖 2 為焊料環優化前后的密封效果對比圖，從圖中可以看出，焊料環設計過窄，密封后封焊區域靠近管腔一側邊緣空洞明顯；焊料環設計過寬，密封過程中焊料極易溢出封焊區，形成爬蓋或者內溢形成淚滴狀焊球。焊料優化設計后，焊接效果良好，基本無空洞。

（2）焊接氣氛控制

在密封過程中，一般要求真空爐內真空度小于1.0Pa，氮氣純度在 99.999% 以上，以避免在焊接過程中，氧化反應參與到共晶反應當中，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。

3.2 密封空洞控制的核心要素

在 2.4-2.5 中已經提到，焊接溫度曲線和焊接壓力是控制密封空洞的核心要素，對空洞的大小和數量有直接的影響。

（1）焊接溫度曲線優化設計

圖 4 是某型號 DIP8 電路優化前金錫合金密封的工藝曲線，通過現有工藝曲線在進行電路密封時，最大空洞的寬度占設計寬度的 20% 左右。通過大量工藝曲線優化實驗發現，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。

研究在原有工藝曲線基礎上，針對焊接峰值溫度設計了專項的優化方案，從 310℃至 340℃之間按每 10℃一個溫度梯度設置優化試驗方案，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，最大空洞寬度占設計密封寬度的比值。

從結果可以看出，峰值溫度在 330℃時，密封后電路空洞的大小和數量要優于其他峰值溫度密封后電路。

（2）焊接壓力優化設計

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 為步進單位進行優化試驗。

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，最大空洞寬度占設計密封寬度的比值。

根據表 2 中的結果可以看出，當焊接壓力小于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狀態，電路空洞的大小和數量要優于其他焊接壓力密封后的電路。

4 方法的推廣及驗證

根據優化后的密封控制方法，以 PGA84 和PGA132 封裝形式的外殼為例，對密封效果進行了X 射線照相驗證， 圖 7 是 X 射線照相檢驗結果圖。從圖中可以看出，兩種封裝形式密封的效果良好，最大空洞寬度占設計寬度的 5% 以下，可見，研究結果可以推廣到同類產品之上。

5 結束語

通過對陶瓷管殼集成電路密封空洞的實驗研究，得到了金錫合金密封空洞控制的基本前提和關鍵因素。從試驗結論可以看出，焊料環尺寸設計、焊接氣氛控制、原材料表面狀態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之上，密封空洞的控制能夠達到一個很高的水平；如果基本前提控制得不好，焊料的流淌很怪異，從而引發各種焊接問題，在此情況下空洞很難達到要求的控制標準。

另一方面，對控制密封空洞的關鍵因素進行了總結，主要包括峰值溫度和焊接壓力兩個關鍵項，并以DIP8 封裝形式為例， 通過峰值溫度和焊接壓力的優化設計，大幅提高了金錫合金密封的質量控制水平，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化方法有助于提高軍用元器件的封質量，可廣泛應用于導彈、飛船、雷達、艦艇、航天器等航空航天和空間設備儀器的核心電路封裝中，在行業內具有一定的指導意義。

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