金家富，楊　程，霍紹新

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

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可伐與鋁碳化硅復(fù)合材料氣密低溫釬焊工藝研究*

金家富，楊程，霍紹新

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

摘要：氣密封裝對(duì)采用裸芯片組裝而成的多芯片組件至關(guān)重要，它可以讓組件內(nèi)部長(zhǎng)期保持惰性氣氛，降低元器件因濕氣造成的環(huán)境失效?？煞ゲ牧鲜且环N常用的封裝材料，在微組裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為彌補(bǔ)這種材料材料密度大、導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上選擇鋁碳化硅材料增強(qiáng)散熱效果，同時(shí)達(dá)到減重的目的。采用低溫釬焊工藝進(jìn)行材料間連接，針對(duì)前期研制過(guò)程中出現(xiàn)的半密封檢漏不合格問(wèn)題進(jìn)行分析，開(kāi)展焊料選擇、焊接參數(shù)優(yōu)化工作，使半密封檢漏漏率小于5×10(-2)Pa·cm3/s。

關(guān)鍵詞：氣密封裝；低溫釬焊工藝；焊接參數(shù)

1　引言

可伐材料是常用的電子封裝材料，它具有膨脹系數(shù)低、與低溫共燒陶瓷（LTCC）膨脹系數(shù)匹配、容易實(shí)現(xiàn)氣密封裝的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，該種材料密度大，導(dǎo)熱性能差，在對(duì)重量要求嚴(yán)格、元器件發(fā)熱量大的場(chǎng)合其應(yīng)用會(huì)受到一定的限制。鋁碳化硅復(fù)合材料是由一定體積分?jǐn)?shù)的碳化硅材料和鋁金屬?gòu)?fù)合而成，具有密度低、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，因此，結(jié)構(gòu)上將這兩種材料用低溫釬焊的方式按圖1的方式組合在一起，以滿(mǎn)足產(chǎn)品需要。

2　低溫釬焊原理[1]

低溫釬焊是對(duì)軟釬焊工藝的別稱(chēng)，是釬焊工藝的一個(gè)組成部分。其原理如下：在溫度、壓力等外在條件的作用下，利用液態(tài)釬料在母材表面潤(rùn)濕、鋪展與母材相互溶解和擴(kuò)散以及在母材間隙中潤(rùn)濕、毛細(xì)流動(dòng)、填縫與母材相互溶解和擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)零件間的連接。

圖1　兩種材料組合而成的殼體

圖2　低溫釬焊工藝過(guò)程

3　缺陷描述及分析

在利用低溫真空釬焊設(shè)備[2]進(jìn)行可伐和鋁碳化硅材料的焊接時(shí)，焊縫接頭設(shè)計(jì)如圖3所示，焊后出現(xiàn)焊縫填充不連續(xù)問(wèn)題，按照GJB548B-2005方法1014中條件A4進(jìn)行管殼半密封檢漏時(shí)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，漏率大于5×10-2Pa·cm3/s。

圖3　焊縫缺陷

針對(duì)上述現(xiàn)象，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，造成上述問(wèn)題的原因可能會(huì)有以下3種：

（1）碳硅鋁材料不致密，氦氣經(jīng)材料本體泄漏到內(nèi)腔中造成的；

（2）焊縫有細(xì)小的漏孔，氦氣可通過(guò)這些漏孔進(jìn)入檢漏系統(tǒng)；

（3）鍍層不致密，氦氣穿過(guò)鍍層向檢漏系統(tǒng)里滲透。

4　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盒體氣密性不達(dá)標(biāo)是一項(xiàng)綜合性問(wèn)題，為此本文通過(guò)試驗(yàn)逐條進(jìn)行分析。

4.1原材料問(wèn)題

針對(duì)原因一和原因三，加工出若干件尺寸為70 mm×40 mm的鋁碳化硅平板，厚度與外殼中鋁碳化硅厚度相同的材料，電鍍后進(jìn)行原材料和鍍層致密性檢查。如圖4所示，利用一個(gè)具有一定彈性的橡膠墊，在其中心開(kāi)一個(gè)方槽，槽尺寸為20 mm×20 mm，在橡膠墊與檢漏儀平臺(tái)、橡膠墊與鋁碳化硅平板接觸的部位涂上真空硅脂，確認(rèn)方槽對(duì)準(zhǔn)檢漏儀漏孔后進(jìn)行抽真空，待設(shè)備指示的漏率基本穩(wěn)定不動(dòng)后用氣槍沿平板表面和側(cè)邊進(jìn)行噴氦檢查。

圖4　檢漏原理圖

根據(jù)上述檢漏方法，各平板的漏率均小于1×10-3Pa·cm3/s，說(shuō)明漏氣不是由于材料及鍍層原因引起的。

4.2焊接工藝問(wèn)題

針對(duì)原因二，由于選擇鋁碳化硅材料作為盒體材料，其物理性能與可伐材料差異很大，特別是在熱導(dǎo)率、比熱容上的差異，決定了需要重新進(jìn)行焊料的選擇、焊接參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置。

4.2.1焊料的選擇

根據(jù)應(yīng)用需要，在實(shí)現(xiàn)鋁碳化硅材料與可伐的焊接后，還需要進(jìn)行表1中各功能基板的裝配，像厚/薄膜電路基板強(qiáng)度較高但脆性大，LTCC基板強(qiáng)度偏低且容易出現(xiàn)脆性開(kāi)裂，但它們的熱膨脹系數(shù)又與50％ Si-Al比較接近；印制電路板強(qiáng)度中等，脆性較大，膨脹系數(shù)與鋁碳化硅材料相差明顯，且玻璃化轉(zhuǎn)變（Tg，典型值140℃）引起的膨脹系數(shù)突變不容忽視；而另外一些復(fù)合介質(zhì)微帶板（如RT6002）則強(qiáng)度較低，但脆性不明顯。

表1　基板的相關(guān)物理性能

目前可選擇的焊料有金錫、鉛錫、錫銀銅和銦錫等[3]。由于后續(xù)待組裝的基板、元器件很多，為避免發(fā)生重熔現(xiàn)象，決定選用熔點(diǎn)最高的金錫焊料進(jìn)行可伐和鋁碳化硅材料的焊接。

4.2.2工裝設(shè)計(jì)

工裝選用H62黃銅材料，采用機(jī)加工方式完成，嚴(yán)格控制工裝的平面度，盡量采用整體設(shè)計(jì)，以保證被焊面受力均勻一致。

4.2.3焊接參數(shù)設(shè)置

基板大面積焊接的參數(shù)主要有焊接溫度、保溫時(shí)間和焊接壓力等。針對(duì)已選擇的金錫焊料，我們分別選擇不同的因素-水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。現(xiàn)有的低溫釬焊爐采用氮?dú)庾鳛檫€原保護(hù)氣，大大減輕焊料的熱氧化，故焊接時(shí)可以不使用助焊劑。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只加工帶有焊接接頭的零件110套，第一階段我們按表2所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

表2　三因素三水平參數(shù)

按上述參數(shù)需要進(jìn)行9次試驗(yàn)，具體結(jié)果如表3所示。

在上述參數(shù)三因素三水平試驗(yàn)完成后篩選出一組較好的參數(shù)設(shè)置，分別為焊接溫度A（340℃）、保溫時(shí)間B（180 s）和焊接壓力C（22.3 g·cm-2），再按表4進(jìn)行第二階段的優(yōu)化。

表3　正交試驗(yàn)方式L9（33）

表4　三因素兩水平參數(shù)

通過(guò)第二階段的優(yōu)化試驗(yàn)工作確定各參數(shù)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，所獲得盒體的半密封檢漏合格率在75％～85％之間。

5　結(jié)論

本文采用低溫釬焊工藝進(jìn)行材料間連接，針對(duì)前期研制過(guò)程中出現(xiàn)的半密封檢漏不合格問(wèn)題進(jìn)行分析，開(kāi)展焊料選擇、焊接參數(shù)優(yōu)化工作，使半密封檢漏漏率小于5×10-2Pa·cm3/s，合格率處于75％～85％之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]劉艷，徐驍，等.真空爐金錫封焊[J].電子與封裝，2010，12 （10）: 1-2.

[3]杜長(zhǎng)華，陳方.電子微連接技術(shù)與材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

金家富（1981—），男，安徽池州人，碩士，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事微電路組裝工藝研究工作。

Hermetic Soldering Technics on Kovar and Al/SiCpComposite Material

JIN Jiafu, YANG Cheng, HUO Shaoxin
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China）

Abstract：Hermetic package is very important for MCM modules assembled by bare dies, which could keep inert atmosphere inside for a long time. So the failure of devices for moisture is decreased. Kover is one of popular package materials in micro assembly field, but it has disadvantages just as low conductivity and high density. Al/SiCpcomposite material is selected for supplying these disadvantages. In this article, soldering technics with solder selecting and parameters optimizing for the material is discussed, then the semi-sealed leak rate is less than 5×10(-2)Pa·cm3/s.

Keywords:hermetic package; soldering technics; soldering parameters

作者簡(jiǎn)介：

*基金項(xiàng)目：裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（51318070119）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）03-0009-03