（中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶400060）

光窗的銦錫合金真空焊接工藝研究

王彬彬，江德鳳

（中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶400060）

采用真空爐對銦錫合金焊料的焊接技術(shù)及在光電光窗封裝外殼中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。根據(jù)光電外殼氣密性封裝要求，設(shè)計了完整的藍(lán)寶石-可伐光窗真空焊接工藝方法和流程。通過大量實驗得出了優(yōu)化的焊接工藝曲線（包括溫度、時間、氣氛和壓強(qiáng)等），討論了封接表面質(zhì)量、壓塊重量、焊料厚度對焊接質(zhì)量的影響。對采用InSn48合金焊料焊接的藍(lán)寶石-可伐光窗管帽按GJB548B-2005中方法1010.1試驗條件A、方法2002.1試驗條件E分別進(jìn)行了溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊考核，氣密性能很好地滿足相關(guān)要求。該研究在光學(xué)鍍膜層耐溫低的光窗封接領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。

銦錫焊料；真空釬焊；密封

1 引言

帶光窗金屬帽是半導(dǎo)體光電器件封裝中一類重要的外殼結(jié)構(gòu)件（見圖1）。光窗片（常用材料有玻璃、石英、藍(lán)寶石、鍺等）與金屬帽體經(jīng)封接后形成光電光窗，為光電器件提供必不可少的光傳輸通道。光窗氣密封接技術(shù)是影響光電器件正常工作的關(guān)鍵，目前報道的封接方法中抗外力強(qiáng)度好的是釬焊工藝[1]，采用金錫焊料將外層鍍金的帽體與金屬化藍(lán)寶石焊接獲得氣密性光窗管帽，金錫焊料共晶溫度280℃，工藝溫度相對較高，峰值溫度一般在320～360℃范圍。In封接法的工藝溫度較低（In熔點157℃），純In作為焊料對光窗和金屬封接，也可獲得高度韌性的氣密性封接件，同時不會損壞光窗材料上的鍍膜層[2]。但純In易氧化，儲存條件要求高，且在使用前需要對焊料及焊接件進(jìn)行嚴(yán)格的表面清洗處理。而InSn48合金焊料具有更低的熔點（118℃）。為開發(fā)一種峰值溫度低于200℃的光窗焊接工藝，我們針對InSn48低溫合金焊料進(jìn)行了真空焊接技術(shù)研究。

2 釬焊工藝概述

為獲得最佳的焊接質(zhì)量，釬焊加熱過程中首先是熔化的焊料在“清潔”的金屬表面上擴(kuò)散，即“潤濕”階段，這樣焊料與母材的原子才能接近到能夠相互吸引結(jié)合的距離。伴隨著表面潤濕過程，焊料還會向固體金屬晶界和晶內(nèi)擴(kuò)散。降溫冷卻至室溫時，焊料在原子引力作用下和焊接金屬基體結(jié)合為一體，焊接處形成由焊料層、合金層和基體層組成的接頭結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)決定焊接接頭的強(qiáng)度[3～5]。

圖1 光窗金屬帽立體組成示意圖

目前，國內(nèi)外殼生產(chǎn)廠家多數(shù)是采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)帶爐進(jìn)行釬焊工藝，即將加工好的預(yù)成型焊料片放置于待焊接處，根據(jù)實際情況采用適當(dāng)?shù)膴A具對焊接面施壓固定，再隨網(wǎng)帶進(jìn)入爐內(nèi)，經(jīng)歷升溫→保溫（共融/共晶）→降溫過程后，形成致密的焊接界面，獲得氣密封口。這種鏈?zhǔn)骄W(wǎng)帶爐溫度曲線和爐膛氣氛較難控制，運(yùn)行過程中需要不斷地向爐膛里充入高純且干燥的氮氣或氮氫混合氣體才能保證密封工藝。本文用真空釬焊爐替代鏈?zhǔn)骄W(wǎng)帶爐，真空爐具有溫度控制準(zhǔn)確、爐內(nèi)氣氛與真空度可控、操作方法簡便的特點。

3 實驗過程

本試驗采用4J29材料的帽體，電鍍底鎳后表面電鍍金，帽口尺寸為Φ15 mm；光窗材料選取藍(lán)寶石，尺寸為Φ14.9 mm（邊緣金屬化處理，表面焊接層為金層）；InSn48預(yù)成型焊片尺寸根據(jù)帽口外徑、光窗片金屬化層的寬度及所需填充的焊接體積確定，試驗中所用焊料厚0.05 mm、寬0.8 mm。

進(jìn)爐前使用無水乙醇清洗金屬帽體與光窗，去除材料表面的油污和其他污物，挑選平整的焊片進(jìn)行裝夾。真空焊接爐加熱平板上的溫度均勻性良好，且通過抽真空方式使?fàn)t腔真空度維持在50 Pa左右，減少焊料氧化物的生成，整個試驗采用熱電偶可對焊接件表面進(jìn)行溫度跟蹤實測。

3.1 熔封壓強(qiáng)-時間曲線

焊料在真空條件或保護(hù)氣氛下加熱至熔化，與金屬帽體和光窗片金屬化表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成金屬間化合物，實現(xiàn)金屬帽體與光窗片的可靠連接。焊料熔化后，部分氣體殘余在光窗片底部的焊料中，通過施加一定氣壓，減小殘余氣體的體積。根據(jù)公式：

式中：P1為施加氣壓前的初始壓強(qiáng)；V1為施加氣壓前的焊接界面初始體積；T1為施加氣壓前的溫度；P2為施加氣壓后的最終壓強(qiáng)；V2為施加氣壓后的焊接界面殘余氣體體積，即空洞體積；T2為施加氣壓后的溫度。

考慮到真空爐本身的加熱結(jié)構(gòu)、焊接件導(dǎo)熱速率及能達(dá)到的極限真空度等因素，最終確定InSn48真空焊接的壓強(qiáng)-時間工藝曲線如圖2所示。

圖2 焊接工藝曲線

3.2 焊接溫度-時間工藝曲線

本實驗中真空爐的發(fā)熱部件是石英管內(nèi)的加熱絲，通電后加熱絲發(fā)熱，通過熱輻射的方式傳熱至真空腔的平面焊接托板。根據(jù)焊料的熔點、焊接托板的溫均性、各焊接部件的導(dǎo)熱率，確定真空焊接溫度-時間曲線，見圖2。

焊接初始階段無加熱，用高純氮氣“沖洗”爐腔后再利用真空泵抽走爐腔內(nèi)的氣體，反復(fù)兩次充氣、抽氣。第二階段是保持低壓真空狀態(tài)，爐膛開始加熱，從室溫以5℃/min～8℃/min的速度升溫至焊接峰值溫度180℃，并保溫5 min直至焊料完全熔化。為了保證焊接件受熱的均勻性，在130℃和160℃分別保溫5 min。最后階段停止加熱，并向爐膛里充入一定時間的高純氮氣，使得爐膛降溫，焊料固化，形成良好的焊接件。

4 影響因素與分析

4.1 焊料浸潤不良

造成封接后的產(chǎn)品漏氣最主要的因素是焊料在管口封接表面處不浸潤，外觀表現(xiàn)為焊接后焊接區(qū)焊料不連續(xù)（見圖3），更為嚴(yán)重的是出現(xiàn)圖4所示的焊料成球的封接狀態(tài)。造成以上現(xiàn)象的原因主要是封接面不清潔。在焊接前鍍金帽、光窗片應(yīng)保證清潔，若儲存環(huán)境較差或存放時間過長，在焊接前必須進(jìn)行清洗，在裝配過程中也應(yīng)杜絕用裸手接觸焊接區(qū)。此外，還可能是焊接面上因?qū)嵋蛩卦斐蓽囟炔痪鶆蚨纬傻摹Ｔ诤附忧按_定兩個焊接面清潔，且與焊料間的接觸良好，壓塊大小也應(yīng)合適，以保證焊接區(qū)域形成良好接觸。

圖3 焊料呈不連續(xù)狀的不良品局部放大圖

圖4 焊料成球

4.2 焊料外溢

在工藝試驗中發(fā)現(xiàn)銦錫焊接過程中常出現(xiàn)焊料外溢現(xiàn)象（見圖5），造成此現(xiàn)象的原因有以下方面：

圖5 焊料外溢出

一是焊料量過多。因焊接區(qū)域需填充的體積是固定的，焊料的內(nèi)外徑尺寸也是不變的，我們只是在焊料厚度上進(jìn)行調(diào)整，以確定最終合適的焊料厚度。窗片除邊緣和側(cè)面均經(jīng)金屬化處理，當(dāng)焊料厚度過大時，焊料量超過應(yīng)填充的焊接空間，在高溫熔化狀態(tài)下，就會溢出焊接區(qū)，冷卻后就表現(xiàn)為圖5中焊料沿管帽壁“爬出”的現(xiàn)象。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，焊料厚度不超過80 μm時，不易出現(xiàn)焊料外溢的情況。

二是高溫段溫度過高或保溫時間過長。較高的溫度有利于焊料熔化后的擴(kuò)散鋪展，但過高的溫度會使焊料“沸騰”，溢出焊接區(qū)外。經(jīng)多次試驗，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)是高溫段溫度180℃，保溫時間5 min。

三是壓塊過重。釬焊時，在待焊接金屬上施加一定的壓力非常重要。加壓的目的一是使母材與焊料形成緊密的接觸，以利于接觸反應(yīng)的進(jìn)行。壓得越緊，焊接面上的接觸點越多，液相形成的速度越快越完全。加壓的另一作用是可使形成的液相從間隙內(nèi)擠出，以免焊接面上的鍍金層溶解過多，在液相擠出的同時，破碎的氧化物也被擠出間隙，有利于提高焊接質(zhì)量。經(jīng)過多次反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，壓塊壓力設(shè)為0.35 N對光窗封接較為合適。

5 試驗結(jié)果

5.1 漏氣率

使用氦質(zhì)譜檢漏儀對焊接好的管帽進(jìn)行氣密性檢測。參照GJB548B-2005方法1014.2密封，試驗條件A4的要求完成示蹤氣體氦（He）細(xì)檢漏。

經(jīng)檢驗，按照上述優(yōu)化后的真空焊接工藝獲得光窗封接管帽的測量漏率R1＜1×10-3Pa/cm3·s（氦），氣密性滿足要求。

5.2 溫循實驗

為了檢驗焊接管帽承受高低溫變化的能力，根據(jù)光電器件外殼產(chǎn)品的使用情況對光窗管帽進(jìn)行了溫度循環(huán)考核。受限于InSn48合金焊料的熔點，我們按照GJB548B-2005方法1010.1溫度循環(huán)試驗條件A：溫度-55～85℃，循環(huán)次數(shù)為10次，溫度循環(huán)完成后再次測試漏率。溫度循環(huán)前后漏率結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，試驗前測量漏率沒超過1× 10-3Pa·cm3/s的管帽經(jīng)過10次溫度循環(huán)后，漏率仍滿足國軍標(biāo)的要求。試驗說明通過優(yōu)化后的焊接工藝獲得的光窗管帽承受-55～85℃的極端溫度轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性良好。

表1 溫度循環(huán)前后漏率測試數(shù)據(jù)

5.3 空洞率

為了檢驗封接后的管帽的焊接空洞率，對采用以上真空焊接工藝參數(shù)的樣品進(jìn)行X射線照相。由于光窗與管帽的焊接區(qū)域?qū)嶋H寬度為1 mm，焊料寬度0.8 mm。根據(jù)國軍標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，同時為保證管帽焊接強(qiáng)度和氣密性，空洞最大尺寸不能超過焊接設(shè)計面積的10%，密封區(qū)有效密封寬度不應(yīng)小于0.5 mm。

如圖6所示，X射線照片結(jié)果表明焊接區(qū)域空洞率在5%以內(nèi)，部分樣品的空洞率在2%以下，符合國軍標(biāo)要求的接受判定標(biāo)準(zhǔn)，焊接效果良好。

圖6 光窗管帽焊接后X射線照片

5.4 焊接界面的剪切強(qiáng)度

參照GJB548B-2005中2019.2芯片剪切強(qiáng)度的試驗方法，利用線性運(yùn)動加力儀對InSn48焊料焊接面的剪切強(qiáng)度進(jìn)行檢驗。為了方便測試，我們特意制作了剪切力樣品件。如圖7中的放大圖所示，焊接樣品小塊相當(dāng)于芯片，表面鍍金，其尺寸為4 mm×3 mm× 2 mm；4 mm×3 mm大小的InSn48焊料經(jīng)前述真空焊接工藝焊接至相當(dāng)于基板的鍍金底座上。實驗結(jié)果如表2所示，InSn48焊料在鍍金層上焊接后的平均剪切強(qiáng)度為9 MPa。

圖7 InSn48焊料焊接樣件的剪切強(qiáng)度測試

表2 剪切力測試結(jié)果

由于光窗管帽封接后測試焊接處的剪切強(qiáng)度有困難，以上樣件的剪切強(qiáng)度試驗定性地表征了封接管帽在受橫向外力、光窗無破損情況下可承受的過載大小。

5.5 抗沖擊能力

根據(jù)光電器件外殼使用需求情況，參照GJB548B-2005中方法2002.1進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗。為了得到焊接管帽Y1方向上可承受的最大沖擊過載，對樣品按照表3中的沖擊加速度由小到大依次進(jìn)行機(jī)械沖擊測試。

如圖8所示，夾具底座及壓塊均采用密度較低的硬鋁材料，以避免因夾具自身重量過大影響沖擊結(jié)果。同時為了保證試驗中底座受沖擊后能垂直傳力作用到管帽封接平面，防止金屬帽橫向受力變形而與夾具通孔側(cè)壁發(fā)生干涉，影響試驗結(jié)果，根據(jù)樣品管帽我們進(jìn)行如下設(shè)計：①管帽底部帽沿水平落在底座上，并用壓塊和螺釘進(jìn)行固定，形成“固結(jié)”結(jié)構(gòu)；②夾具通孔尺寸大于管帽最大柱面外圓直徑0.2～0.3 mm。

圖8 沖擊夾具及裝配圖

在美國LAB設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SD-16型沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗，因試驗的檢測目的是考核光窗管帽氣密性封裝工藝經(jīng)機(jī)械沖擊后的可靠性，所以選取漏率合格與否、光窗是否破損兩項作為考核的指標(biāo)。從試驗結(jié)果表3中的數(shù)據(jù)可以看出，Y1方向沖擊力在10 000 g以下時，InSn48焊料焊接的光窗管帽抗外力的可靠性較穩(wěn)定。

Research of InSn48 Vacuum Soldering for Optoelectronic Window

WANG Binbin,JIANG Defeng

（Chongqing Acoustic-Optic-Electronic Co.Ltd.China Electronic Technology Group，Chongqing400060，China）

In the paper,vacuum soldering technologies of InSn48 and its application in optoelectronic window packaging are studied.By referring to the hermetic requirement for optoelectronic package shell,the paper designs a complete sealing method and flow chart and obtains an optimized soldering process curve. The paper also discusses the effects of packaging surface,pressing block and solder thickness to the quality of solder packaging.The gas-tight performance meets requirements.

InSn48 solder;vacuum welding;hermetic packaging

TN305.94

A

1681-1070（2016）12-0012-04

2016-8-29