夏海洋，郝新鋒，吳 磊，崔 凱，紀(jì) 樂

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

有源天線陣面微波組件的構(gòu)型正從傳統(tǒng)的二維磚塊式多芯片組件向三維集成的片式微波組件方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的二維磚塊式微波組件的密封主要以激光熔焊技術(shù)為主，軟釬焊技術(shù)為輔[2]，但激光熔焊和軟釬焊封焊技術(shù)已難以完全滿足三維集成片式微波組件的密封需求。三維片式微波組件為了提高集成度和散熱性能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，材料匹配性差，采用激光熔焊密封易導(dǎo)致組件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力，特別是要求多個(gè)腔體密封的組件，激光熔焊導(dǎo)致的應(yīng)力問題特別嚴(yán)重[3]。若采用傳統(tǒng)軟釬焊工藝密封三維片式組件，會(huì)增加片式組件組裝的溫度梯度設(shè)計(jì)難度。另外，密封一般是組件組裝的最后一道工序，使用的軟釬料的熔點(diǎn)也最低，會(huì)限制組件整體的耐溫能力和密封強(qiáng)度，降低組件的可靠性。

激光軟釬焊氣密封裝是利用激光作為熱源加熱軟釬料使之熔化潤(rùn)濕組件殼體和蓋板從而形成密封焊縫的技術(shù)[4]。該技術(shù)由于不直接熔化殼體和蓋板材料，相比激光熔焊，其引起的組件結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，同時(shí)，激光直接作用于軟釬料，不用整體加熱組件，不受組件組裝溫度梯度的限制，可以使用高于組件組裝焊料熔點(diǎn)的軟釬料，相比傳統(tǒng)軟釬焊技術(shù)，不會(huì)限制組件整體耐溫能力和密封強(qiáng)度[5]。因此，激光軟釬焊技術(shù)非常適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料匹配性較差的高集成三維片式微波組件的氣密封裝。

本文選用表面鍍Ni/Au的50%Si/Al作為殼體材料，表面鍍Ni/Au的TC4鈦合金作為蓋板材料。軟釬料選用直徑為0.4 mm的Sn63Pb37焊絲，焊絲預(yù)先置于殼體與蓋板之間的凹槽內(nèi)。焊絲預(yù)置好后，將樣品固定到充氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)的預(yù)熱臺(tái)上。利用系統(tǒng)軟件編寫激光工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)定激光功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)。運(yùn)行設(shè)備，完成激光釬焊試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用定制的深圳普德激光公司的激光釬焊封裝設(shè)備，整個(gè)設(shè)備置于充氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)，激光光源為德國(guó)LIMO公司808 nm波長(zhǎng)的光纖耦合半導(dǎo)體激光器，最大激光輸出功率為400 W。半導(dǎo)體激光器出光連續(xù)，波長(zhǎng)短，效率高，光斑集中，釬料吸收好，相比其他類型的激光器，非常適合用于軟釬焊[6]。特別是808 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，相比915 nm及980 nm等波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，金屬材料尤其是錫基釬料對(duì)其吸收率較高，焊接特性優(yōu)良。本文優(yōu)化了影響焊縫成形的激光軟釬焊工藝參數(shù)，分析了激光軟釬焊密封接頭微觀組織，驗(yàn)證了激光軟釬焊密封微波組件的氣密性。

1 組件激光軟釬焊氣密封裝工藝參數(shù)優(yōu)化

能有效影響激光軟釬焊焊縫成形的因素主要有焊接結(jié)構(gòu)、熱臺(tái)溫度、助焊劑、激光功率、離焦量和焊接速度。激光軟釬焊焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮焊接強(qiáng)度和氣密性，并方便焊絲或焊條的預(yù)置。圖1是本試驗(yàn)采用的焊接結(jié)構(gòu)，殼體及蓋板均開一定角度的坡口，以方便預(yù)置釬料并增加釬焊面積，殼體與蓋板臺(tái)階匹配構(gòu)成橫向和豎向焊縫，既增加釬焊面積又有利于氣密，殼體和蓋板的鍍Au層厚度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)以抑制粗大脆性的金錫金屬間化合物的形成。熱臺(tái)的作用是給組件一定的預(yù)熱溫度，增加釬料對(duì)殼體和蓋板的潤(rùn)濕性，降低激光功率。熱臺(tái)溫度應(yīng)低于組件組裝所用各種釬料的熔點(diǎn)。軟釬料預(yù)置到焊縫后，可以涂刷少量的免清洗助焊劑以提高釬料熔化后的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，但助焊劑的用量應(yīng)盡可能少。激光功率、離焦量和焊接速度這3個(gè)因素并非相互獨(dú)立，它們存在交互作用，激光功率的增大和減小、離焦量的減小或增大以及焊接速度的增大或減小，都會(huì)導(dǎo)致輸入釬料的瞬時(shí)熱流密度的增大或減小。本試驗(yàn)優(yōu)化的激光功率范圍為30～40W，離焦量為1～2mm，焊接速度為3～5 mm/s。圖2是采用優(yōu)化的工藝參數(shù)激光軟釬焊密封的微波組件樣件外觀形貌。

圖1 組件激光軟釬焊密封結(jié)構(gòu)

圖2 激光軟釬焊密封的微波組件樣件

需要特別指出的是，激光軟釬焊封蓋過程是一個(gè)溫度場(chǎng)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程，因此激光軟釬焊工藝參數(shù)，特別是激光功率和焊接速度這2個(gè)參數(shù)也應(yīng)通過程序設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。若不動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光功率和焊接速度，容易導(dǎo)致焊接后半段輸入釬料的熱量過大而引起釬料表面過燒，如圖3所示。

圖3 表面燒蝕激光軟釬焊縫

2 組件激光軟釬焊密封接頭微觀組織觀察

圖4(a)和圖4(b)分別為焊接速度為2mm/s和3 mm/s時(shí)組件殼體與蓋板激光釬焊密封接頭橫截面的光鏡照片。由圖4可知，釬料可完全填充殼體與蓋板之間形成的間隙，釬料與殼體和蓋板均潤(rùn)濕良好，釬料中無空洞和裂紋，同時(shí)，釬料未溢流到殼體內(nèi)部。

圖4 組件殼體與蓋板激光纖焊密封接頭橫截面光鏡照

圖5焊接速度為2 mm/s時(shí)組件殼體與蓋板激光軟釬焊密封接頭上部橫截面的掃描電鏡照片，表1是圖5各標(biāo)號(hào)所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量百分比)。由圖5和表1可知，殼體與蓋板表面的鍍Au層已基本完全溶解于SnPb釬料中，釬料與鍍Ni層接觸并潤(rùn)濕良好，在釬料與殼體和蓋板界面沒有形成粗大脆性的金錫金屬間化合物，釬料基本保持(Sn)+(Pb)共晶組織狀態(tài)。

圖5 殼體與蓋板激光釬焊密封接頭上部橫截面掃描電鏡照

表1 圖5各標(biāo)號(hào)所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量百分比)

圖6焊接速度為2 mm/s時(shí)組件殼體與蓋板激光軟釬焊密封接頭下部橫截面的掃描電鏡照片，表2是圖6各標(biāo)號(hào)所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(原子百分比)。由圖6和表2可知，殼體鍍Ni-P層與SnPb釬料之間形成了厚度分別為0.3 μm和2 μm的均勻連續(xù)金屬間化合物層，經(jīng)分析這兩層金屬間化合物分別為AuSn和AuSn2。由于生成的金屬間化合物厚度較薄且均勻連續(xù)，沒有粗大的扇貝狀或針狀金屬間化合物生成，因此接頭界面微觀組織有利于焊縫的力學(xué)性能和氣密性。圖5與圖6接頭界面微觀組織細(xì)微差異的主要原因可能是上部釬料充足且熔化時(shí)間長(zhǎng)，Au原子大量溶解于釬料中，而下部釬料量少且呈熔融態(tài)的時(shí)間短，Au原子未完全擴(kuò)散進(jìn)釬料而在界面形成薄層金屬間化合物。

表2 圖6各標(biāo)號(hào)所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(原子百分比)

圖6 殼體與蓋板激光釬焊密封接頭下部橫截面掃描電鏡照

3 組件激光軟釬焊封裝氣密性驗(yàn)證

根據(jù)GJB 548B—2005 《微電子器件試驗(yàn)方法及程序》中1014.2方法進(jìn)行激光軟釬焊密封組件的泄漏率檢測(cè)，組件分為剛激光軟釬焊密封后和50次溫度循環(huán)試驗(yàn)后2種狀態(tài)。溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為-55 ℃～70 ℃，溫度變化速率為15℃/min，低溫和高溫保溫時(shí)間均為0.5 h。表3為組件泄漏率測(cè)試結(jié)果，由表3可知，組件泄漏率穩(wěn)定在10-10Pa·m3/s量級(jí)，滿足機(jī)載有源天線陣面對(duì)片式組件泄漏率的要求。

表3 激光軟釬焊密封組件泄漏率

4 結(jié)束語

本文對(duì)片式微波組件激光軟釬焊氣密封裝工藝進(jìn)行了研究，通過對(duì)影響焊縫成形的焊接結(jié)構(gòu)、熱臺(tái)溫度、助焊劑、離焦量、激光功率、焊接速度進(jìn)行優(yōu)化，獲得了較佳的激光軟釬焊氣密封裝工藝參數(shù)窗口。通過分析激光軟釬焊密封接頭微觀組織可知，釬料完全填滿了殼體與蓋板之間形成的間隙，釬料中無空洞和裂紋，釬料也沒有溢流到殼體內(nèi)部。釬料與鍍Ni層接觸并潤(rùn)濕良好，在釬料與殼體和蓋板界面沒有形成粗大脆性的金錫金屬間化合物。接頭上部釬料基本保持(Sn)+(Pb)共晶組織狀態(tài)，接頭下部鍍Ni層與釬料之間形成薄且均勻連續(xù)的金屬間化合物層AuSn和AuSn2。氣密性檢測(cè)表明激光軟釬焊密封滿足機(jī)載有源天線陣面對(duì)片式組件泄漏率的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證激光釬焊氣密封裝技術(shù)的可靠性，后續(xù)還將對(duì)激光釬焊密封組件進(jìn)行低氣壓、振動(dòng)、鹽霧等考核。同時(shí)，還將開展不同焊接結(jié)構(gòu)、不同殼體蓋板材料組合、不同釬料的激光釬焊氣密封裝試驗(yàn)，拓展激光釬焊氣密封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍。