肖漢武

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在微電子集成電路的高可靠氣密封裝中，蓋板密封技術(shù)主要包括低溫合金焊料熔封、平行縫焊、低溫玻璃熔封、儲能焊及激光焊等幾種形式。其中，平行縫焊過程主要是在蓋板局部產(chǎn)生溫升，被廣泛用于混合電路、微電子單片集成電路以及對溫度較敏感器件的氣密封裝。

眾所周知，平行縫焊本質(zhì)上屬于電阻焊，它是通過流經(jīng)一組平行的銅合金滾輪電極的焊接電流在電極與蓋板、蓋板與焊環(huán)之間這兩個高阻處產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)溫度超過表面鍍層熔點時，鍍層熔化并形成合金后將蓋板與焊環(huán)密封。此過程中，除了焊環(huán)、蓋板表面鍍層的熔化外，或多或少還存在部分蓋板基體材料的熔化。由于整個封帽過程中僅在焊環(huán)處發(fā)生焊接行為，外殼整體溫度并沒有像其他兩種蓋板熔封工藝一樣同步升高。通過適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)優(yōu)化，縫焊過程中外殼的溫度可以很容易控制在100℃以下。因此平行縫焊通常被認(rèn)為是一種局部高溫、整體低溫的封帽技術(shù)。

盡管如此，平行縫焊過程中，焊縫位置附近的實際溫度通常都超過1 000℃，甚至高達(dá)1 600～1 700℃。因此，實際形成縫焊的過程中，在焊環(huán)與陶瓷結(jié)合部位通常會出現(xiàn)一個較大的溫度梯度并產(chǎn)生一定程度的熱應(yīng)力，倘若工藝控制不當(dāng)?shù)脑挘氲臒釕?yīng)力會導(dǎo)致焊環(huán)與陶瓷之間的開裂。此外，焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也會直接帶來漏氣問題。因此，獲得一個質(zhì)量良好的焊縫是平行縫焊工藝的關(guān)鍵。

2 平行縫焊焊縫質(zhì)量評判

對于氣密性封裝而言，封蓋質(zhì)量是影響最終封裝的可靠性及合格率的關(guān)鍵所在。與合金焊料熔封、低溫玻璃熔封兩種封帽工藝不同，平行縫焊所形成的焊縫寬度通常只有0.2～0.4 mm，比前兩種封帽方式形成的焊縫窄很多。大量的數(shù)據(jù)顯示，平行縫焊的總合格率通常低于前兩種封帽工藝，其中一個很重要的原因正是因為焊縫較窄小，縫焊過程一個很小的異常將可能導(dǎo)致氣密性不良或其他不良現(xiàn)象發(fā)生。因此，如何有效地對平行縫焊焊縫質(zhì)量進(jìn)行評判顯得尤為重要。本文從氣密性、焊縫外觀、封蓋強(qiáng)度、鹽霧試驗及蓋板形變等幾個方面進(jìn)行討論。

2.1 氣密性

氣密性是任何氣密封裝技術(shù)的第一要素。氣密性檢測又稱密封試驗，通常采用的是氦質(zhì)譜細(xì)檢漏、氟碳化合物粗檢漏相結(jié)合的方法對平行縫焊氣密性進(jìn)行檢測。

氦質(zhì)譜細(xì)檢漏技術(shù)通常需要將待檢漏器件放置在一個具有一定壓力的氦氣壓力罐中進(jìn)行氦轟擊（俗稱“加壓”），經(jīng)過指定時間轟擊后，從壓力罐中取出放入氦質(zhì)譜檢漏儀中進(jìn)行檢測，整個檢測過程必須在規(guī)定時間內(nèi)完成。這也是高可靠混合電路、微電子單片集成電路普遍采用的氣密性檢測方式。氦質(zhì)譜檢漏有兩種試驗條件：試驗條件A1（固定方法）及試驗條件A2（靈活方法），當(dāng)封裝器件種類較多時，通常采用試驗條件A1的固定方法，也就是根據(jù)表1中列舉的固定條件進(jìn)行氦加壓、檢測判斷。

但是，在平行縫焊工藝應(yīng)用最廣泛的普通消費(fèi)類電子器件，如聲表面波器件、晶振等應(yīng)用中，通常還采用了一種預(yù)封氦氣的方式進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，即在平行縫焊手套箱內(nèi)，通入按一定比例預(yù)先混合的氮?dú)?氦氣混合氣體作為封帽氣氛，在縫焊過程中，一定比例的氦氣（一般是氦氣體積比為10%）同時被封接在器件殼體內(nèi)。倘若該器件存在氣密性不良，封接在殼體內(nèi)的氦氣將會從漏孔處逸出進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀而被探測。

這種方法的最大優(yōu)點是可以省略氦氣壓力罐中的轟擊時間，從而大大縮短生產(chǎn)效率。缺點則是必須在完成縫焊后的規(guī)定時間內(nèi)完成所有器件的氦氣檢漏過程。若無法完成所有器件的檢漏，必須重新采用常規(guī)的氦氣壓力罐對未及時完成檢漏的器件進(jìn)行氦氣轟擊，然后進(jìn)行氦檢漏，否則有可能造成個別氣密性不良器件的漏檢。

表1 氦質(zhì)譜檢漏試驗條件A1的固定條件

氟碳化合物粗檢漏技術(shù)是將先行經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏后的器件置于真空/壓力罐中，對壓力罐抽真空至壓力小于或等于0.7 kPa，保持至少30 min后，在不破壞真空的前提下注入Ⅰ型檢測用液體（低溫氟碳化合物）覆蓋待檢測器件。然后按照表2的條件對壓力罐進(jìn)行加壓。加壓結(jié)束去除壓力，將器件從液體中取出，在空氣中干燥2±1 min，然后浸入125±5 ℃的Ⅱ型指示液體中，經(jīng)放大鏡觀察器件中是否有氣泡冒出。若觀察到從同一位置出來一串明顯氣泡或兩個以上大氣泡則視該器件氣密性失效。

表2 氟碳化合物粗檢漏加壓條件

氦質(zhì)譜檢漏是一種定量的氣密性檢測方法，利用它可以準(zhǔn)確地測試某個器件的漏率水平，當(dāng)測量到某個器件漏率大于5.0×10-3Pa·cm3·s-1時，通常還無法定位漏氣部位所在。

雖然氟碳化合物粗檢漏可以確定漏氣部位，但也只能篩選漏率大于或等于1 Pa·cm3·s-1的較大漏孔，對于10-3Pa·cm3·s-1數(shù)量級的漏孔無能為力。平行縫焊器件的氣密性不良中，因焊縫密封不良占的比例相對較大，針對這種漏氣器件，通?？山逯缚p外觀檢查、開蓋等方法來判斷漏氣部位。而對于一些焊縫外觀正常、漏率較為臨界的器件，可通過特別的吸氦法來定位漏孔。

對于平行縫焊器件而言，除了在完成縫焊后直接進(jìn)行氣密性檢測外，更重要的是需要進(jìn)行縫焊器件在環(huán)境試驗、機(jī)械試驗等系列試驗后的氣密性檢測。這也是由平行縫焊工藝本身特點所決定的。平行縫焊過程對于器件、外殼本身不會帶來較大的溫升，但封接過程中蓋板表面溫度通常都超過1 000 ℃，在焊環(huán)與陶瓷結(jié)合部位會存在一個較大的溫度梯度并產(chǎn)生一定程度的熱應(yīng)力，倘若工藝控制不當(dāng)?shù)脑?，縫焊過程中的殘余應(yīng)力在后續(xù)的溫度循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械沖擊、恒定加速度試驗中有可能疊加，當(dāng)疊加后應(yīng)力接近或超過焊環(huán)、陶瓷間的結(jié)合強(qiáng)度甚至陶瓷本身的斷裂強(qiáng)度時，會導(dǎo)致焊環(huán)與陶瓷之間結(jié)合處的開裂甚至瓷體炸裂現(xiàn)象。這一點與低溫合金焊料熔封及低溫玻璃熔封兩種蓋板封帽技術(shù)不甚相同，后兩種封帽技術(shù)都是整體同步加熱，封帽過程中的殘余熱應(yīng)力低很多，相對于平行縫焊封帽，其在可靠性試驗后的氣密性檢測中的失效比例也低很多，這也是平行縫焊工藝中需要特別關(guān)注的問題。

此外，平行縫焊器件在環(huán)境試驗、機(jī)械試驗后的氣密性檢測還可以剔除因蓋板材料或制造過程中的缺陷而形成的微小孔隙（砂眼）導(dǎo)致的漏氣現(xiàn)象。這種缺陷在完成封帽的早期通常不會出現(xiàn)問題，但在后續(xù)的電路測試、篩選及機(jī)械試驗過程中，由于熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的作用，微小孔隙或裂紋有可能因擴(kuò)散而變大，最終演變成漏孔。

另外，在環(huán)境試驗中的鹽霧試驗之后進(jìn)行的氣密性檢測，可以評估平行縫焊器件經(jīng)鹽霧氣氛的加速腐蝕后的密封完好性，即便是鹽霧試驗后合格的器件也有可能因為局部腐蝕嚴(yán)重而出現(xiàn)漏氣。

2.2 焊縫外觀

平行縫焊的焊縫是由幾十甚至上百個連續(xù)的焊點組合而成，為保證焊縫的密封性，焊點必須相互重疊，重疊部分控制在30%～50%通?？梢员ＷC焊縫的連續(xù)，如圖1所示。當(dāng)重疊過少，焊縫中出現(xiàn)斷點而導(dǎo)致漏氣；重疊過多，焊縫本身沒有問題，但總的焊點數(shù)會增多，而每一個焊點的形成都是一個高溫過程，倘若焊接時間不變，高溫過程越多，引入的熱應(yīng)力越大，對外殼的熱沖擊也越大，出現(xiàn)焊環(huán)、瓷體間結(jié)合處開裂甚至瓷體炸裂的可能性自然也會增大。重疊過多還會增加基體金屬的暴露機(jī)會，過多的基體材料的暴露會加深鹽霧試驗中的腐蝕，嚴(yán)重者甚至還會出現(xiàn)焊縫銹蝕穿孔，并直接導(dǎo)致后續(xù)密封試驗中的失效。因此，在工藝設(shè)計階段，必須仔細(xì)考量焊點的重疊量。

平行縫焊中幾個關(guān)鍵的工藝參數(shù)主要包括焊接功率（焊接電流）、脈沖寬度、脈沖占空比、電極滾動速度及電極壓力，這5個因素是平行縫焊的主要焊接參數(shù)，其中前4個參數(shù)最為關(guān)鍵。當(dāng)然，由于平行縫焊機(jī)設(shè)備間的差異，4個參數(shù)的名稱都有所不同。目前，國內(nèi)各單位使用的基本上是美國SSEC和日本AVIO兩家公司的兩類平行縫焊機(jī)，本文暫以SSEC 的2400型號為例進(jìn)行討論。

SSEC 2400平行縫焊機(jī)的4個關(guān)鍵焊接參數(shù)分別是：P（功率）、PW（脈寬）、PRT（脈沖重復(fù)時間）及S（焊接速度），相鄰兩個焊點之間的距離L1可以通過以下公式計算：

圖1 理想的焊縫重疊

單個焊點的長度或?qū)挾扰c焊接能量（參數(shù)組合）、蓋板、外殼、電極甚至工裝夾具相關(guān)，對其進(jìn)行準(zhǔn)確計算很困難，但是可以通過仿真計算獲得一個近似的數(shù)據(jù)。一個簡便的方式是在焊接參數(shù)中設(shè)定焊接距離等于L1，即只形成一個焊點，然后通過測量顯微鏡即可確定單個焊點的長度或?qū)挾戎怠?/p>

假定兩個相鄰焊點的重疊量為X，單個焊點長度為W，相鄰焊點間距離L1，可以計算出重疊量X與L1、W之間的關(guān)系，即：X=1-L1/W。

不同類型的外殼，允許的焊點重疊量可以不同。對于尺寸較大的金屬外殼，較大的焊點重疊量并不會引入更大的熱應(yīng)力，因為整體金屬結(jié)構(gòu)有利于熱量的傳遞。而對于陶瓷外殼，焊環(huán)是通過銀銅焊料釬焊在陶瓷基體上，通常陶瓷外殼材料為氧化鋁，焊環(huán)材料為柯伐合金，室溫下二者的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)相差并不大，前者分別為18 W（m·k）-1和5.69×10-6K-1，后者分別為19 W（m·k）-1和6.2×10-6K-1，但隨著溫度的升高，二者的差距逐漸加大，圖2、圖3分別為不同材料熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。從圖3可以看出，氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)，也就是說，當(dāng)溫度升高時，陶瓷本身的導(dǎo)熱性能變差。因此，當(dāng)焊點重疊量加大時，所產(chǎn)生的過多熱量并不能夠快速擴(kuò)散，因此焊環(huán)處的溫度會變得更高，加上柯伐焊環(huán)的熱膨脹系數(shù)隨溫度升高變得更大，結(jié)果過多的焊點重疊量導(dǎo)致更大的熱應(yīng)力殘留。其最嚴(yán)重的結(jié)果是封接器件在后續(xù)應(yīng)用、經(jīng)歷環(huán)境試驗及機(jī)械試驗后的各個階段出現(xiàn)焊環(huán)與瓷體結(jié)合處開裂而導(dǎo)致的漏氣，甚至出現(xiàn)瓷體炸裂現(xiàn)象。

圖2 幾種常用金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)

圖3 不同材料的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系

焊點的重疊程度通過在器件Z方向也就是蓋板表面方向的目檢可以非常直觀、明了地觀測及測量，但是獲得良好的焊點重疊并不一定意味著焊縫是可靠的。

一個可靠的焊縫還必須在蓋板與焊環(huán)的連接部位形成一個連續(xù)的粘接層，也就是說，在蓋板的側(cè)壁與焊環(huán)連接部位有明顯的熔融層存在，這正是平行縫焊焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵所在。因為此區(qū)域是平行縫焊外殼的密封區(qū)外側(cè)，該區(qū)域的密封狀況直接決定了密封性能的好壞，此位置若能形成一個完全連續(xù)的熔融層，表明焊縫處鍍層熔化較好，如圖4所示。

圖4 側(cè)壁可見連續(xù)的熔融層

該熔融層是由蓋板及焊環(huán)表面鍍層的熔化形成的，熔融層越厚說明熔融越充分，理論上，封接強(qiáng)度也越高。但是，過厚的熔融層意味著焊點表面更高的焊接溫度，圖5揭示了焊點形成時沿著外殼縱深方向的溫度分布趨勢。顯然，電極與蓋板接觸處溫度越高，鍍層熔化越充分，沿著外殼縱深方向的熱影響也越大，焊環(huán)與陶瓷結(jié)合處的殘余應(yīng)力也就越大。過大的應(yīng)力對于器件的可靠性顯然是不利的。并且過高的溫度還會帶來更多基體材料的暴露，對焊縫的抗蝕也是不利的。

圖5 焊縫附近的溫度分布趨勢

當(dāng)采用化學(xué)鍍Ni蓋板時，由于鍍Ni層中含有8%～12% 的P，P的摻入提高了蓋板的抗蝕性能，但Ni層的脆性會變大。當(dāng)焊接溫度過高時，會促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生，反而對氣密性不利。

因此當(dāng)觀測到側(cè)壁熔融層過厚，甚至出現(xiàn)熔融層鼓起、氣泡等現(xiàn)象時，說明焊接參數(shù)過盈，需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。導(dǎo)致熔融層鼓起、氣泡的原因主要是蓋板基材及鍍層中的氣體釋放，同時還與焊環(huán)或蓋板的表面潔凈度有關(guān)，尤其是焊接區(qū)附著的一些有機(jī)顆粒物，會在焊接高溫下發(fā)生炭化、氣化而導(dǎo)致熔融層的異物、鼓起、氣泡等現(xiàn)象。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，熔融層厚度控制在蓋板厚度的1/3～2/3時較為合適，如圖6所示。

當(dāng)然，如果僅僅是對外殼進(jìn)行評價，采用過盈的焊接參數(shù)可以對外殼的整體質(zhì)量尤其是焊環(huán)的釬焊質(zhì)量進(jìn)行摸底，以評估在最苛刻條件下焊環(huán)與陶瓷間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖6 側(cè)壁熔融層厚度控制要求

此外，通過焊點的形狀亦可對焊縫性能進(jìn)行基本的判斷。圖7、圖8代表兩種不同形貌的焊點，其中圖7中的焊點呈近似圓形，而圖8中的焊點則呈沿著焊縫方向的扁長橢圓形。顯然，由沿著焊縫方向的扁長橢圓形的焊點組成的焊縫其寬度相對圓形焊點要窄，在相同焊縫長度和焊點重疊量下，總的焊點數(shù)也相對較少。因此其總的焊接能量降低，對外殼的熱沖擊也隨之減少。

焊點的形狀可以近似用單個焊點長度W來表征，W值越大，焊點形狀越扁長。如前所述，W值的大小與焊接速度、電極錐度及電極壓力等相關(guān)，在相同的焊接功率、脈寬、脈沖重復(fù)時間條件下，焊接速度越快越容易形成沿著焊縫方向的扁長橢圓形焊點，而當(dāng)電極錐度過小、電極壓力變大以及焊接速度較小時，焊點形狀更圓甚至變?yōu)檠刂怪庇诤缚p方向的扁長橢圓形。

圖7 近似圓形焊點

只要工藝參數(shù)控制得當(dāng)，兩種形狀的焊點均可獲得能滿足使用要求的密封質(zhì)量。在保證氣密性及封蓋強(qiáng)度的前提下，若能形成沿著焊縫方向的扁長橢圓形焊點對封裝的可靠性更有利。

圖8 橢圓形焊點

封接過程中的電極打火是平行縫焊封帽工藝中一個常見的問題。最常見的打火多發(fā)生在蓋板拐角處，在焊點表面形成燒蝕淺坑，嚴(yán)重時甚至燒穿蓋板。也有一些打火是發(fā)生在焊接中間部位，其原因包括焊環(huán)及蓋板平整度較差、蓋板制作過程中的切割多元物（包括毛刺）、電極上的飛濺物等。輕微打火除了影響焊縫外觀外，對焊縫質(zhì)量影響較小，而嚴(yán)重打火通常會引起蓋板基體材料的熔化和暴露，將會降低焊縫的抗蝕能力。因此在實際生產(chǎn)過程中，嚴(yán)重打火器件通常予以剔除。

拐角處打火的主要原因是滾輪電極從焊環(huán)、蓋板表面上升或下降時不同步，存在后上或先下現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^優(yōu)化工夾具設(shè)計、設(shè)置合理的焊接長度及延時距離等途徑來加以改善。此外，優(yōu)化平行縫焊機(jī)的焊接電源也可大大降低打火的發(fā)生。平行縫焊的焊接電源一般為1 kHz的直流方波脈沖電流，當(dāng)電極在焊環(huán)、蓋板表面上升或下降時，焊接功率（焊接電流）通常是保持恒定的，而某些焊接電源如AVIO公司的新型焊接電源則可實現(xiàn)多段電流下降功能，即在上升或下降階段的焊接電流均可進(jìn)行控制，尤其是在下降階段還可以分四段下降。實踐證明，當(dāng)上升及下降階段焊接電流降至正常焊接電流的60%左右時，打火現(xiàn)象可以得到有效的抑制，同時還可以改善正常封接中角部位置因重疊過密所帶來的焊點顏色加深的現(xiàn)象。

正常的焊縫表面光亮，呈銀白色，當(dāng)觀察到焊點顏色黯灰甚至變色等情形時，說明焊接總能量過大或者平行縫焊機(jī)手套箱內(nèi)氮?dú)鈿夥罩械腍2O、O2含量偏高；而焊點表面的黃色亮點則是由于銅合金電極中的少量銅粘連在焊縫表面的緣故。通過適當(dāng)降低焊接功率、減少焊點重疊量、控制手套箱內(nèi)氣氛以及加強(qiáng)滾輪電極管理等途徑，可以改善焊縫變色問題。

2.3 封蓋強(qiáng)度

平行縫焊通常是兩種相同材料（焊環(huán)、蓋板均為柯伐材料）或同類材料（柯伐焊環(huán)、鐵鎳蓋板）之間的熔焊，通過兩個結(jié)合面表面鍍層的熔化及Au與Ni鍍層的合金化來實現(xiàn)兩種材料的焊接。焊縫形成時的局部溫度超過1 000 ℃，很難避免部分基底金屬的熔化，由于存在這種母材之間的結(jié)合，平行縫焊封蓋的理論結(jié)合強(qiáng)度是很高的，因此人們對平行縫焊后的蓋板封接強(qiáng)度一般不做特別測試。

然而，當(dāng)外殼及蓋板鍍層制造工藝出現(xiàn)異常波動時，縫焊強(qiáng)度會出現(xiàn)明顯下降甚至出現(xiàn)蓋板自然脫落的零強(qiáng)度現(xiàn)象。

從工藝控制的角度而言，平行縫焊工序的所有關(guān)鍵參數(shù)及其有效性均應(yīng)處于受控狀態(tài)。雖然平行縫焊器件的氣密性檢測為平行縫焊工序的必須篩選檢查項目，但平行縫焊工藝的另一個重要的有效性指標(biāo)即封蓋強(qiáng)度通常并沒有得到有效的監(jiān)控，即便在GJB548B-2005標(biāo)準(zhǔn)中也沒有相應(yīng)的評價方法。我們認(rèn)為，有必要在實際工藝過程中對封蓋強(qiáng)度進(jìn)行周期性監(jiān)測，尤其是在外殼、蓋板的入廠檢驗階段，這將有利于及時發(fā)現(xiàn)外殼、蓋板制造工藝中的異常，并促使外殼或蓋板制造商進(jìn)行改進(jìn)。否則，有可能導(dǎo)致封裝生產(chǎn)過程中的批次性異常。

正常情況下的平行縫焊蓋板封接強(qiáng)度很高，由于蓋板厚度太薄，常規(guī)的剪切強(qiáng)度測試方法無法適用，拉力強(qiáng)度測試方法同樣也不適用。一個行之有效的方法是通過專用工具在蓋板中間位置穿孔，然后將穿孔擴(kuò)大，再用小型鉗具將蓋板沿著焊縫方向進(jìn)行撕扯，蓋板扯離后在焊環(huán)外側(cè)邊緣留下熔焊痕跡，如圖9、圖10、圖11及圖12，觀察熔焊痕跡可以推測實際的焊接強(qiáng)度。

圖9 焊縫熔焊痕跡1

圖10 焊縫熔焊痕跡2

圖11 焊縫熔焊痕跡3

圖12 焊縫熔焊痕跡4

圖10～圖12 代表了3種不同的焊縫熔化痕跡，其中圖10中的熔化痕跡均勻連續(xù)，熔化區(qū)域集中在焊縫最外側(cè)，向內(nèi)部延伸較少；而圖11中的熔化痕跡盡管也是連續(xù)的，但熔化區(qū)域較寬，且中間出現(xiàn)空隙；圖12中則幾乎看不到熔化痕跡。很顯然，圖12中的樣品焊縫強(qiáng)度是3者之中最低的，雖然在完成封帽后的氣密性檢測中是合格的，但在后續(xù)可靠性試驗中存在較大的漏氣風(fēng)險。

通過開蓋后的焊縫熔化痕跡的觀察，我們可以判斷封接工藝是否正常、外殼或蓋板鍍層是否存在異常，并據(jù)此進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

2.4 鹽霧試驗

鹽霧試驗是為模擬潮濕、多鹽分的海洋環(huán)境對器件的影響所設(shè)計的一種加速腐蝕試驗，其試驗?zāi)康氖窃u估封裝器件鍍涂層的質(zhì)量。對于采用平行縫焊和合金焊料熔封兩種氣密封帽技術(shù)的封裝器件而言，由于使用的均為具有表面保護(hù)鍍層的鐵基合金蓋板，在沿海地區(qū)或船舶、艦艇等使用環(huán)境下，大氣中的鹽霧成分較高，倘若蓋板表面保護(hù)鍍層異常，鹽霧容易形成對鐵基合金蓋板的侵蝕和電解腐蝕，導(dǎo)致蓋板表面甚至基體生銹，嚴(yán)重者還會造成焊縫處蓋板基材的銹蝕穿孔以致漏氣，因此，鹽霧試驗是除氣密性之外的另一個關(guān)鍵考核項目。

平行縫焊所使用的蓋板材料通常有柯伐4J29和4J42合金兩種，這兩種蓋板均為鐵基合金材料。常見的平行縫焊蓋板主要有鍍Ni蓋板和鍍Au蓋板兩種鍍層結(jié)構(gòu)。對于前者，由于電鍍Ni的熔點在1 450℃，熔點過高，通常不會使用；而含P量在8%～12%的化學(xué)鍍Ni的熔點在880℃左右，為盡量降低平行縫焊的焊接溫度，鍍Ni蓋板主要采用化學(xué)鍍Ni工藝。而對于后者，一般采用電鍍工藝的單層Ni/Au結(jié)構(gòu)。由于平行縫焊過程中很難避免蓋板基體材料的暴露，在完成焊接后，焊縫表面或多或少存在Fe元素。這也是平行縫焊器件在鹽霧試驗中焊縫處容易出現(xiàn)腐蝕的根源。

雖然使用鍍Au蓋板可以增強(qiáng)蓋板的整體抗蝕能力，但在平行縫焊焊縫處的抗鹽霧能力卻并沒有得到改善，反而多數(shù)情況下變得更差。這是因為Au與Fe元素的電位差比Ni與Fe元素的電位差更大，由于鹽霧反應(yīng)本質(zhì)上是一種電池反應(yīng)，電位差越大，反應(yīng)程度越大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是目前所廣泛使用的鍍Au蓋板多為單層Ni/Au結(jié)構(gòu)，而采用電鍍方法獲得的鍍層結(jié)構(gòu)致密性遜于化學(xué)鍍層，單層Ni/Au結(jié)構(gòu)很難避免焊接過程中基體材料中Fe元素的暴露。據(jù)報道，采用Ni/Au/Ni/Au復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的平行縫焊蓋板可順利通過鹽霧試驗的考核。

根據(jù)GJB548B-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求，在鹽霧試驗中須進(jìn)行測量的封裝腐蝕缺陷包括凹坑、氣泡、起皮和腐蝕生成物，對于已封裝器件，其腐蝕缺陷總面積應(yīng)小于或等于除引線外的任何封裝零件（例如蓋板、管帽或外殼）鍍涂或底金屬面積的5%；而對于封裝前的蓋板及外殼原材料的來料檢查過程中的鹽霧試驗，要求蓋板腐蝕缺陷總面積應(yīng)小于或等于蓋板鍍涂面積或底金屬面積的1%，要求外殼腐蝕缺陷總面積應(yīng)或小于或等于除引線以外其他任何部位鍍涂面積或底金屬面積的2.5%。

實際操作中，腐蝕缺陷總面積通常是采用估算的方法進(jìn)行判斷，通過與一個標(biāo)準(zhǔn)的計算腐蝕面積的卡片進(jìn)行比較，得出一個估算值，再將該估算值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，最終評判是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

事實上，平行縫焊器件在鹽霧試驗中的失效情況較為普遍，這也是國內(nèi)同行中普遍存在的一個長期未能得到很好解決的難題。

2.5 蓋板形變

平行縫焊器件在完成焊接后，常?？捎^察到蓋板表面中間凸起現(xiàn)象，這與合金焊料蓋板封帽后蓋板中間凹陷現(xiàn)象正好相反，后者主要是熔封后的器件腔體內(nèi)部存在負(fù)壓的緣故。

由于平行縫焊蓋板的厚度（焊接邊緣厚度）通常為0.08～0.12 mm，如此薄的金屬蓋板很容易發(fā)生形變。焊接過程中，隨著電極的滾焊，蓋板兩個平行邊被固定在焊環(huán)表面，焊接時產(chǎn)生的高溫使得蓋板快速加熱而發(fā)生膨脹，加上兩個電極的側(cè)向擠壓作用，于是膨脹的蓋板在中間位置向外凸起。蓋板凸起現(xiàn)象在扁平結(jié)構(gòu)蓋板中尤為明顯，且蓋板尺寸越大凸起越明顯。在器件進(jìn)行恒定加速度、機(jī)械沖擊等機(jī)械試驗中，當(dāng)蓋板朝向與試驗過程中所施加的加速度方向相反且加速度足夠大時，受向心力的作用蓋板中間則有可能出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。

平行縫焊蓋板的兩種形變主要影響封裝外觀，即便出現(xiàn)蓋板凹陷，如果封裝設(shè)計中在蓋板與鍵合引線之間預(yù)留了足夠的距離，不會造成蓋板與引線的短路問題，對封帽質(zhì)量無不良影響。

3 結(jié)束語

關(guān)于平行縫焊焊縫質(zhì)量的評判，目前尚無一個統(tǒng)一的規(guī)范，本文結(jié)合實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗，從氣密性檢測、焊縫外觀、封蓋強(qiáng)度、鹽霧試驗及蓋板形變等幾個方面對其進(jìn)行了初步的探討。由于作者水平有限，文章中難免有疏漏之處，希望更多專家同行能就相關(guān)問題進(jìn)行更深入的研究和交流。

[1] SSEC M2400e Operating Manual.

[2] 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn). GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序[S].

[3] 鄒茉蓮. 焊接理論及工藝基礎(chǔ)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 1994.

[4] 《電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊》編委會. 電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊7：半導(dǎo)體與集成電路卷[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1991.

[5] 《電子封裝技術(shù)叢書》編委會. 集成電路封裝試驗手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998.

[6] 李茂松，等. 平行縫焊工藝抗鹽霧腐蝕技術(shù)研究[J]. 微電子學(xué)，2011，6：465-469.