平行縫焊用蓋板可靠性研究

1 引言

　　目前平行縫焊工藝在有氣密性要求的各種電子封裝中大量使用。由于密封過(guò)程中封裝體的溫升較低、不使用焊料、對器件性能影響較小、焊接強度高等優(yōu)點(diǎn)，在對溫度較敏感的電子元器件，如集成電路、混合集成電路、表面安裝型石英晶體振蕩器、諧振器以及聲表面波濾波器(SAW)等電子元器件封裝中普遍采用。其封裝氣密性可達：漏率L≤1×10-3Pa·cm3/S(He)，是一種可靠性較高的封帽方式，可用于氣密性要求較高的封裝中。

　　平行縫焊雖然是一種可靠性較高的封帽方式，但作為平行縫焊重要部件--平行縫焊用蓋板，它是平行縫焊重要的結構性材料，對封裝中氣密性及氣密性成品率有重要影響。要想提高平行縫焊的可靠性，除了封裝底座要有高的質(zhì)量，還必須要有高質(zhì)量的蓋板。而高質(zhì)量的平行縫焊蓋板必須具備：①熱膨脹系數與底座焊環(huán)的相同，與瓷體的相近。②焊接熔點(diǎn)溫度要盡可能低。③耐腐蝕性能優(yōu)良。④尺寸誤差小。⑤平整、光潔、毛刺小、沾污少等特性。下面就分別闡述高質(zhì)量平行縫焊蓋板所必需具備的幾個(gè)要素。

　　2 熱膨脹系數的匹配

　　平行縫焊蓋板的熱膨脹系數主要取決于蓋板基礎體材料本身。首先要依據底座焊環(huán)的熱膨脹系數來(lái)決定蓋板基體材料的選擇。目前用量最大的是氧化鋁陶瓷底座，其次就是可伐(KOVAR合金)底座。而與陶瓷膨脹系數相匹配的金屬焊環(huán)是KOVAR合金或4J42鐵鎳合金。因此，我公司生產(chǎn)的平行縫焊用蓋板均采用KOVAR合金材料，與陶瓷底座相匹配。這一材料封帽成品率高(≥99.5%)，封裝后器件經(jīng)-55℃～+150℃、50次循環(huán)，漏氣L≤9×10-8～7×10-10atm·cm3/s(相當于9×10-3～7×10-5Pa·cm3/s(He))。

　　3 焊接熔點(diǎn)溫度要求

　　平行縫焊焊接熔點(diǎn)溫度高低對于保護電子元器件性能不受影響是個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。我們知道半導體器件、石英晶體振蕩器對于高溫都比較敏感。如果封裝體溫升偏高，會(huì )使石英晶體振蕩頻率偏離設計范圍、誤差加大，甚至使器件失效。為了保護所封裝電路及石英晶體振蕩器等電子元器件性能及成品率，必須努力降低焊接熔點(diǎn)溫度，以減少封焊時(shí)所產(chǎn)生的溫升。有時(shí)溫升太高，還會(huì )使陶瓷底座與焊環(huán)因應力而開(kāi)裂、甚至使焊環(huán)金屬化脫落等，造成整個(gè)器件報廢，降低焊接熔點(diǎn)溫度有利于提高封帽的成品率和可靠性。而KOVAR材料熔點(diǎn)為1460℃，鐵鎳合金4J42熔點(diǎn)也高達1440℃，若要降低平行縫焊焊接熔點(diǎn)溫度，就要在蓋板鍍層上來(lái)解決問(wèn)題。平行縫焊蓋板常用鍍鎳、鍍金或鍍鎳合金的工藝。純鎳的熔點(diǎn)為1453℃，純金的溫度為1063℃。我們開(kāi)始采用電鍍鎳，發(fā)現無(wú)法降低熔點(diǎn)焊接溫度。因為電解鍍鎳接近于純鎳，其熔點(diǎn)溫度高，在用戶(hù)焊接時(shí)需要采用較大的電流，可焊性差。只有合金鎳才能有效降低熔點(diǎn)溫度?；冩嚭辖鹩墟嚵缀辖鸷玩嚺鸷辖?，而含磷量在12.4Wt%時(shí)達到最低。參見(jiàn)圖1和圖2。

　　從圖1可以看出，鎳磷合金最低熔點(diǎn)880℃，比鎳硼最低溫度1093℃低。顯然采用鍍鎳磷合金較優(yōu)。但含磷量也不宜太高，太高了玻璃相增多，硬度太大，平行縫焊時(shí)易產(chǎn)生微裂紋。采用含磷量適中的工藝配方，在實(shí)際生產(chǎn)及用戶(hù)使用中均取得了滿(mǎn)意的效果。鍍鎳蓋板在經(jīng)氫氣爐中高溫(780℃)退火和不退火，其使用效果無(wú)明顯差異。

　　選用化鍍鎳磷，還有一種考慮，就是鍍層的體電阻和接觸電阻、化鍍鎳磷鍍層的電阻比較大，其電導率一般為(1.47～2.22)×106n-1·m-1，電解鍍層的電導率為13.7×106n-1·m-1。顯而易見(jiàn)，化學(xué)鍍鎳層的電阻要比電解鍍鎳層大。因平行縫焊實(shí)質(zhì)上是電阻焊，在焊接過(guò)程中其電阻集中在電極與蓋板接觸處，也就是鍍層部位應要有較大電阻，體電阻大的鍍層其接觸電阻大，這樣脈沖電流通過(guò)時(shí)，其產(chǎn)生的熱量就集中在電極接觸處，使接觸處蓋板與焊框熔融而結合在一起。因此其電阻大些是有好處的。

　　4 耐腐蝕性能

　　作為高可靠平行縫焊蓋板，耐銹蝕性能是非常重要的。尤其是器件