蔣 偉，袁禮華，袁中朝，周曉波

中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 400060

0 引言

帶光窗金屬外殼被廣泛應(yīng)用于激光器、探測(cè)器、光收發(fā)組件等器件的封裝。根據(jù)不同應(yīng)用需求，選擇相應(yīng)光窗材料和光窗封接工藝。常用的光窗材料有玻璃、石英、藍(lán)寶石、鍺等，常用的封接工藝有高溫熔封、高頻熔封、玻璃釬焊、金屬釬焊等[1]。

藍(lán)寶石在350～3 000 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，透過率達(dá)83%以上，是一種性能優(yōu)良的光學(xué)材料，被廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)器件、激光器窗口材料、半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)等之中。為使器件具有高可靠性和響應(yīng)度，可在其表面雙面蒸鍍?cè)鐾改ぃ兡ず竽軌驅(qū)崿F(xiàn)350～3 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)波段透過率≥97%，單點(diǎn)透過率最高可達(dá)99.5%以上。光學(xué)薄膜主要成分為TIO2、和SiO2[2]等氧化物，在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生分解，從而影響薄膜性能。

金錫焊料被廣泛應(yīng)用于散熱要求和可靠性要求高的半導(dǎo)體焊接工藝中。文章研究了藍(lán)寶石光窗與金屬腔體通過金錫低溫釬焊實(shí)現(xiàn)氣密性封接的工藝，并通過仿真分析和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

1 工藝簡(jiǎn)介

為滿足藍(lán)寶石光窗和可伐合金表面低溫釬焊的要求，需在藍(lán)寶石光窗焊接區(qū)域上蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層。為獲得致密、均勻、附著性好的膜層，采用磁控濺射的方式鍍制金屬層。金屬層設(shè)計(jì)為Cr-Ni-Au 三層金屬化層結(jié)構(gòu)，厚度依次為Cr（鉻）≥70 nm，Ni（鎳）≥300 nm，Au（金）≥400 nm。鉻層熱膨脹系數(shù)為6.2×10-6℃，與藍(lán)寶石熱脹系數(shù)匹配，具有良好的附著性。鎳層作為保護(hù)層，可以阻擋焊接時(shí)焊錫對(duì)鉻層溶蝕；金層兼具抗氧化性和良好的焊接性能。金屬腔體一般采用膨脹系數(shù)與藍(lán)寶石相近的可伐合金。為保證抗腐蝕性能和焊接質(zhì)量，表面先電鍍鎳后鍍金，鎳層厚度≥1.3 μm，金層厚度≥0.5 μm。

采用低溫釬焊工藝焊接光窗，詳細(xì)工藝流程如圖1 所示。原材料（包括腔體、引線等）預(yù)處理后，首先和玻璃絕緣子進(jìn)行絕緣熔封，形成氣密性結(jié)構(gòu)；然后與底板通過銀銅焊料高溫釬焊形成氣密性結(jié)構(gòu)；表面電鍍鎳金后與完成鍍膜和金屬化的光窗通過金錫焊料低溫釬焊形成氣密性結(jié)構(gòu)。工藝的核心和難點(diǎn)為光窗釬焊。

圖1 帶光窗外殼生產(chǎn)工藝流程

2 仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

光窗、釬料、基體材料熱膨脹系數(shù)存在差異，封裝過程中會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，較大應(yīng)力的存在直接影響封裝可靠性，甚至造成光窗裂紋。光窗和焊接區(qū)是整個(gè)外殼的薄弱環(huán)節(jié)。為研究帶鎢銅熱沉的薄壁腔體側(cè)壁和光窗低溫釬焊工藝的可靠性，文章采用ANSYS Workbench 仿真軟件進(jìn)行熱力學(xué)的耦合分析。

選用MSFM2321-W6W 型號(hào)帶光窗腔體外殼進(jìn)行分析，其中可伐金屬腔體外形尺寸為20 mm×15 mm×8 mm，壁厚1.20 mm，光窗尺寸為13.5 mm×5.5 mm×0.6 mm，腔體底面帶鎢銅熱沉。

首先將產(chǎn)品模型導(dǎo)入ANSYS 軟件，再進(jìn)行材料賦予、接觸和網(wǎng)格劃分。熱學(xué)分析時(shí)，以燒結(jié)工藝的溫度曲線加載溫度，并將溫度載荷數(shù)據(jù)傳遞給靜力學(xué)分析模塊。力學(xué)分析時(shí)，在凝固點(diǎn)進(jìn)行“綁定（bonded）”約束，同時(shí)在底板下表面的原點(diǎn)處進(jìn)行“遠(yuǎn)端位移（remote displacement）”約束，約束值均為零，然后對(duì)其加載溫度載荷。待計(jì)算完成后，查看應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，分析產(chǎn)品在熱沖擊下的內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變。

2.2 光窗焊接過程中的應(yīng)力仿真分析

光窗焊接工藝為低溫釬焊，當(dāng)溫度降至焊料的凝固點(diǎn)時(shí)，光窗和腔體開始結(jié)合，腔體前期積累的拉應(yīng)力對(duì)光窗進(jìn)行拉扯。溫度降至室溫時(shí)，拉應(yīng)力達(dá)到最大，如圖2 所示。光窗頂部的最大應(yīng)力值為118.57 MPa，低于藍(lán)寶石自身的抗拉強(qiáng)度（190 MPa）。在降至室溫時(shí)，光窗和腔體之間產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，如圖3 所示。光窗和腔體之間發(fā)生的最大剪切應(yīng)力值為62.803 MPa，低于焊料（Au80Sn20）的抗拉強(qiáng)度（276 MPa）。光窗和腔體之間的氣密性封接滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

圖2 低溫釬焊過程應(yīng)力分布圖

圖3 低溫釬焊過程剪切力分布圖

根據(jù)上述分析，在底板焊接和光窗焊接過程中，各部分所受到的應(yīng)力均在材料的安全范圍內(nèi)，整體設(shè)計(jì)滿足可靠性要求。原材料個(gè)體之間存在一定差異，且焊接工藝存在一定波動(dòng)。后續(xù)對(duì)外殼有相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)考核，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境預(yù)留設(shè)計(jì)冗余。

3 影響因素分析

3.1 焊接縫隙

光窗低溫釬焊過程中容易出現(xiàn)焊接縫隙。出現(xiàn)焊接縫隙后，光窗外觀表現(xiàn)為焊料填充不連續(xù)和焊縫，直接影響封接區(qū)氣密性和可靠性。焊接縫隙產(chǎn)生的主要原因是焊料浸潤(rùn)不良、光窗壓力不均、光窗不居中、焊接區(qū)平面度較差等。焊接縫隙可以直接在顯微鏡觀察到，結(jié)合氣密性檢測(cè)，能夠做到比較有效的篩選。顯微鏡下觀察到的某型號(hào)光窗焊接縫隙現(xiàn)象如圖4 所示。通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高焊接區(qū)域平面度、優(yōu)化工裝夾具、提升光窗居中性和壓力均勻性、保持焊接區(qū)和焊料的潔凈度、合理設(shè)計(jì)焊料用量，配合間隙設(shè)計(jì)為0.08 mm 時(shí)，能夠得到較為連續(xù)均勻的焊縫。

圖4 光窗焊接縫隙

3.2 封接氣泡

光窗金錫焊接過程中，焊料與氧氣的接觸極易發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧化膜[3]，且焊縫中的氣體難以完全排除，就會(huì)導(dǎo)致焊接氣孔。光窗封接區(qū)內(nèi)部氣孔直接影響封接強(qiáng)度和可靠性，內(nèi)部氣孔的存在，直接減小了有效焊接區(qū)域面積，在機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)過程中有造成光窗漏氣甚至脫落的風(fēng)險(xiǎn)。金錫共晶焊接參數(shù)的主次因子排序應(yīng)為焊接溫度、焊接壓力、焊接時(shí)間[4]。氣孔的產(chǎn)生主要是由焊接區(qū)域平面度差、壓塊重量不足、共晶時(shí)間不足，焊料流淌不充分等造成。

經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計(jì)焊料用量和焊接夾具，光窗和金屬腔體配合間隙設(shè)計(jì)為0.08 mm，保持焊接面和焊料潔凈度，焊接最高溫度設(shè)置為350 ℃，光窗焊接區(qū)所受壓強(qiáng)在1 800 Pa 左右，共晶時(shí)間控制在15 min 左右，可以獲得較高的焊接質(zhì)量。試樣焊接后通過X 射線掃描出的內(nèi)部氣孔現(xiàn)象如圖5 所示。

圖5 光窗封接區(qū)優(yōu)化前后氣孔情況

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證藍(lán)寶石光窗低溫釬焊工藝的可靠性，同時(shí)驗(yàn)證焊接面寬度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)可靠性的影響，文章選用了MSFM2321-W6W 型外殼，分兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中焊接面寬度為1.0 mm 和0.8 mm 的實(shí)驗(yàn)樣本各5 只。首先將金屬腔體、金錫釬料和光窗用模具固定好，并在光窗上采用壓塊施壓；裝模完成后，放置于調(diào)好工藝參數(shù)的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)帶爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

低溫釬焊整個(gè)過程在鏈?zhǔn)骄W(wǎng)帶爐中完成。為了防止氧化，進(jìn)出口設(shè)計(jì)了氮?dú)饽槐Ｗo(hù)，高溫區(qū)設(shè)計(jì)了氫氣保護(hù)，使?fàn)t膛內(nèi)為還原反應(yīng)。工藝溫度曲線如圖6所示，主要包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過程。在保溫過程中，金錫釬料熔化。在表面潤(rùn)濕過程中，釬料還會(huì)向固體金屬晶界和晶內(nèi)擴(kuò)散[5]，與光窗和金屬件表面的金層發(fā)生共晶反應(yīng)，形成致密的焊接界面，獲得氣密封口。

圖6 低溫釬焊溫度曲線

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在20 倍顯微鏡下觀察光窗焊接區(qū)情況，10 只試樣中9 只焊縫填充均勻飽滿，無明顯縫隙和空洞，其中8 號(hào)試樣焊縫有較明顯縫隙。采用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，8 號(hào)試樣不合格，其余9 只試樣漏氣速率R1＜1×10-9Pa·m3/s。按《半導(dǎo)體光電子器件外殼通用規(guī)范》（GJB 5438—2005）要求進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)考核，試驗(yàn)條件溫度為-65～150 ℃，循環(huán)10 次。溫度循環(huán)后，9 只試樣漏氣速率R1＜1×10-9Pa·m3/s。具體測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 試樣氣密性測(cè)試結(jié)果

氣密性合格的9 只試樣中，抽取8 只，按照《半導(dǎo)體光電子器件外殼通用規(guī)范》（GJB 5438—2005）進(jìn)行機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，接面寬度設(shè)計(jì)為1.0 mm 時(shí)，能夠承受更高的機(jī)械沖擊，具有更高的可靠性。

表2 機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

光窗與金屬件配合間隙設(shè)計(jì)為0.08 mm，封接寬度設(shè)計(jì)為1.0 mm，焊料厚度設(shè)計(jì)為0.1 mm，施加預(yù)壓力大小設(shè)計(jì)為1 800 Pa，共晶時(shí)間設(shè)置為8 min，合理設(shè)計(jì)焊接夾具，藍(lán)寶石光窗和可伐金屬件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的封接質(zhì)量。藍(lán)寶石低溫釬焊的試樣滿足《半導(dǎo)體光電子器件外殼通用規(guī)范》（GJB 5438—2005）的可靠性要求，工藝方案已被逐步應(yīng)用于光電器件外殼的研制和生產(chǎn)中。