采用金锡合金的气密性封装工艺研究综述.docx
- 文档编号:30338476
- 上传时间:2023-08-13
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:98.68KB
采用金锡合金的气密性封装工艺研究综述.docx
《采用金锡合金的气密性封装工艺研究综述.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《采用金锡合金的气密性封装工艺研究综述.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
采用金锡合金的气密性封装工艺研究综述
2010年9月
电子工艺技术
ElectronicsProcessTechnology267
随着电子工业及航空和航天工业的迅速发展,对电子器件的可靠性要求越来越高,气密性封焊的产品因其杰出的可靠性被广泛地应用于军事应用[1]。
气密性封装一般采用熔焊、锡焊或钎焊[2]。
锡焊封装产品与熔封产品比较,具有工作速度快、成品率高、重复性好、抗腐蚀性能好和应用范围广等显著的优点。
锡焊通常采用SnPb、InAg和BiSn等钎料进行密封,其中锡焊稍次于共晶金锡合金钎焊,因为它的强度较低(低于AuSn强度的1/2,以及由于金属间化合物的形成更容易破碎,而且在大多数情况下,封接时必须采用助焊剂[3]。
同时较低的焊接强度势必导致较低的抗疲劳特性。
据报道,在功率器件中已经发现了锡焊在功率循环时的失效[4]。
因此SnPb、InAg和BiSn等钎料的锡封不能适应汽车及航空电子高可靠性应用领域的要求。
当需要一个更强、更耐腐蚀的密封和必需避免使用助焊剂的场合,多采用共晶AuSn合金钎焊来代替锡焊。
因为金锡焊料不仅
采用金锡合金的气密性封装工艺研究
姚立华,吴礼群,蔡昱,徐波,胡进,张巍
(中国电子科技集团第五十五研究所,江苏南京210016
摘要:
根据功率器件的气密性封装要求,设计了完整的金锡封焊工艺方法和流程,研究了工艺中的技术难点,提出了确保封装工艺稳定性和可靠性的技术要点。
实验选用Au80Sn20预成型焊环作为封接材料对器件进行气密性封装。
通过大量试验得出了最佳工艺曲线(包括温度、时间、气氛和压力等。
密封后的产品在经受各项环境试验和机械试验后,其结构完整性、电学特性、机械牢固性和封装气密性均能很好地满足要求,证明了采用倒置型装配的金锡封焊工艺的可行性及优越性。
关键词:
金锡焊料;气密性封装;钎焊;倒置型装配
中图分类号:
TN405文献标识码:
A文章编号:
1001-3474(201005-0267-04
StudyofHermeticPackageProcesswithAu/SnAlloy
YAOLi-hua,WULi-qun,CAIYu,XUBo,HUJin,ZHANGWei
(CETCNo.55ResearchInstitute,Nanjing210016,China
Abstract:
Accordingtothehermeticrequirementsforapowerdevice,completesolderSealingmethodandflowcharthasbeendeveloped.Theresearchworkhascomeupwiththekeyissuestoensurethestableandreliablepackagingprocesses.ThedevicesarehermeticallysealedusingAu80Sn20preform.Aoptimizedprocessprofilesuchastemperatureandpresscanbegetfromseriesofexperiments.Sheartestandleakagetestareperformedtoinvestigatethebondingstrengthofthesealingstructureandthehermeticityoftheencapsulation.Bymeansofourexperiments,thefeasibilityofsolderingpackagesusinginversionassemblyprocesswasproved.
Keywords:
AuSnsolderalloy;Hermeticpackaging;Soldering,Inversionassembly
Documentcode:
AArticle:
1001-3474(201005-0267-04
作者简介:
姚立华(1976-,女,硕士,毕业于南京航空航天大学,从事微电子封装工艺技术工作。
电子工艺技术
ElectronicsProcessTechnology
2010年9月第31卷第5期
268具有优良的机械性能,而且具有独特的润湿性和抗氧化性,可以实现无钎剂封焊,消除了助焊剂的污染。
但是由于金锡封焊对工艺方法要求较高,用金锡焊料封装电路,成品率不高,一直以来平均批次封装合格率在70%以下[5]。
本文结合金属气密性封装的需要,介绍了一种采用倒置型装配的金锡封焊工艺。
1试验设计
Au80Sn20合金具有良好的浸润性,而且对镀金层的浸蚀程度很低,同时也没有像银那样的迁徙现象;还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性和良好的导热和导电性[6],因此Au80Sn20焊料被广泛用于大功率电子器件的芯片焊接和高可靠电路的气密性封装。
由于器件的芯片焊接和封装都采用了Au80Sn20焊料,国内很多厂商为避免内部芯片发生偏移、浮起和脱落等缺陷,封装时通常会采用器件正面朝上用钼夹固定的方式进行封焊。
这种封焊方式不仅封焊成品率较低,而且定位和压力控制难度都较大。
为此本文设计了倒置型装配的封焊工艺。
图1[7]
显示在Au-Sn系统中共晶体的富金一侧液相曲线斜度非常陡,在芯片焊接过程中,Au80Sn20焊料金含量的增加很容易通过芯片背面的电镀金发生快速溶解,金含量的增加会使焊料的温度迅速提高至320℃~360℃,而封焊的峰值温度不会超过320℃,因此不必担心倒置封焊过程中器件内的焊料发生重熔,导致芯片偏移、浮起和脱落等现象,从而影响产品的电性能。
图1Au-Sn二元合金相图
2试验方法
国内外通常采用链式炉(带式炉来完成钎焊密封工艺,将剪裁好的焊料合金预制片插在盖板与壳体的密封面之间,用夹具压紧,随着炉带的传送,合金焊料在炉中相继经历“预热—升温—共熔/共晶—降温—冷却”等状态,形成致密的焊缝,从
而将产品气密封装起来。
但是这种链式炉钎焊密封工艺的温度曲线和内部气氛都较难控制,炉内需要不断地输入高纯度且干燥的氮气才能保证密封工艺实现[8]。
为避免链式炉(带式炉钎焊工艺带来的工艺难控制和资源浪费大等问题,本文采用了真空/氮气压力炉来代替链式炉的密封,同时设计了倒装封焊夹具,其工艺原理如图2所示。
这种工艺具有温度控制准确、压力控制简单、腔体真空度控制精确和操作方法简便等优点。
图2金锡封帽工艺示意图
3试验过程
试验采用的器件壳体为可伐4J29,管口尺寸为11.4mm×10.7mm;盖板同样选用可伐4J29,尺寸为11.3mm×10.6mm×0.3mm;Au80Sn20预成型焊片的选用与壳体及盖板的平整度是相互关联的,若壳体与盖板的金属表面很平整,焊料不需要很厚就能完全润湿,但当壳体与盖板之间存在缝隙时,就需要采用较厚的焊片才能实现气密性封装,通过反复测量及多次试验,最终选取了尺寸为11.300mm×10.600mm×0.053mm的合金焊片。
图3试验采用的器件、盖板和焊片
将器件、盖板和焊片分别在甲苯、丙酮和乙醇中超声清洗5min,取出后用氮气吹干,以去除壳体表面污染。
将盖板、焊片和器件依次放入定位夹具内,压入压针,放入真空炉内,经过抽真空、加热(加热曲线如图4所示、加压和降温过程,完成整
个密封过程。
链式炉密封的典型加热周期包括快速
1064.43Sn的质量分数w/%
温度θ/℃
定位夹具
压针
器件
预热期(3min~5min,液相温度以上的最短时间(3min~5min,高于熔融温度40℃~80℃的峰值温度,以及固化后的快速冷却。
这种加热方式首先较难保证内部水汽含量,前期需要真空烘烤;其次其加热及冷却速率很难控制,易对内部芯片造成热冲击。
在真空炉内进行密封不仅能够准确地控制加热曲线,而且可以在预热区就能进行真空烘烤,以保证内部气氛含量。
图4两种密封方式的加热曲线对比图
4试验结果
4.1气密性测试
试验共采用了50只器件分5批进行封焊试验,经粗和细检漏后无一只出现漏气失效,且漏气率均小于5×10-3Pa/(cm3·s,符合国军标GJB548-96方法1014要求,合格率达到100%。
30只成品温度循环的试验条件为:
-65℃~+175℃,每温度保持15min,循环200次;温度循环后30只样品经粗和细检漏后无一只出现漏气失效,漏气率均小于5×10-3Pa/(cm3·s,温度循环后的成品合格率为100%。
12只成品进行盐雾试验,试验时间:
96h;12只样品经过上述试验后无一只出现漏气失效,漏气率均小于5×10-3Pa/(cm3·s,盐雾试验后的成品合格率为100%。
4.2内部水汽含量检测
从采用不同封焊程序的样品中各抽取3只共9只产品进行内部气氛含量测试,其结果见表1,从结果看所有样品均达到了GJB548方法1018的要求,水汽体积分数均小于5×10-3,其中封焊程序编号为45的样品其结果最为优良,证明我们完全可以通过程序设计控制内部水汽含量。
表1内部气氛体积分数测试结果
4.3性能测试
对40只样品进行了封帽前后性能测试对比,其驻波及增益的变化率均与平行封焊的变化率一致,说明采用倒置型装配的金锡封帽工艺对产品的性能没有影响。
4.4内部目检
抽取5只产品机械开帽后,未发现一例金锡焊料重新熔化的现象,其金锡焊料仍保持芯片焊接后的形态,所有载体、GaAs芯片、Si芯片、陶瓷电路片和镀金铜导体均未出现偏移浮起现象,说明经焊后的金锡焊料的熔化温度大于封焊峰值温度。
图5机械拆帽后器件内部实物图
4.5外部目检
封帽后的50只产品焊区光亮,焊料铺展性良好,无明显的孔洞、无爬盖和无焊料外溢等缺陷。
样品号
φ(氮气/%
φ(氩气/×10-6
φ(水汽/×10-6
φ(氢气/×10-6
φ(烃类/×10-6
φ(二氧化碳/×10-6
φ(氧气/×10-6
φ(甲醇/×10-6
22-1
99.6
874
730
1794
<100
472
ND
ND
22-2
99.3
909
4231
434
<100
371
1272
ND
22-3
99.4
690
3871
1197
<100
582
<100
ND
30-1
99.5
957
818
2620
<100
330
ND
ND
30-2
99.7
ND
939
1279
<100
762
ND
ND
30-3
99.4
599
914
583
ND
3529
ND
ND
45-1
99.8
629
220
739
ND
227
ND
ND
45-2
99.9
643
128
266
ND
138
<100
ND
45-3
99.8
654
311
468
ND
281
<100
ND
镀金铜导体
Si芯片
GaAs芯片
陶瓷片
陶瓷片
时间t/min
温
度
θ
/
℃
峰值345℃
350
(a链式炉温度曲线
时间t/s
温
度
θ
/
℃
949
400
300
200
100
(b真空/氮气压力炉温度曲线
姚立华等:
采用金锡合金的气密性封装工艺研究
2010年9月269
电子工艺技术
ElectronicsProcessTechnology2010年9月第31卷第5期270
图6金锡封帽的器件实物图
5焊接缺陷分析
5.1焊料外溢
在金锡封焊过程中极易产生焊料外溢现象,造成焊料外溢的原因主要是由以下几点:
⑴焊环尺寸不合理,最初选用的焊环尺寸为11.300mm×10.600mm×0.075mm,其中90%的样品封焊后存在不同程度的焊料外溢现象,因此对焊环厚度做了进一步的调整,由0.075mm改为0.053mm;⑵施加在壳体上的压力不合适,如果压力过大,焊料从焊接处流出,铺展至管壳上,但压力过小会造成焊接不良,焊区出现缝隙和漏气。
因此压力的选取至关重要,经过试验0.60N比较合适;⑶温度过高或加热时间过久,较高的温度有利于焊料的铺展,但过高的温度会造成焊料沸腾现象,不但会在焊接层形成孔洞,同时造成焊料的外溢。
经过不断试验,最佳的工艺参数是:
加热温度310℃,保温时间:
1.5min。
图7焊料外溢缺陷
5.2管口表面不浸润
造成封焊后的产品漏气的最主要因素是管口表面不浸润,如图8所示,其造成的原因主要是管口不清洁,有树脂和油脂等有机物存在。
在封焊之前必须经过超声清洗,在装配过程中也应杜绝用手去接触焊接区。
5.3焊接区出现孔洞
孔洞形成的主要原因是由于气流的扰动、加热温度过高和温度不均匀,如图9所示。
孔洞的出现会使密封腔体发生泄漏,同时也降低了焊接界面的强度。
在封焊前确定仓体密封状况良好,封焊夹具采用高纯度石墨夹具可以有效地避免孔洞的出现。
图9焊接区域出现孔洞
6结论
采用倒置型装配金锡封焊工艺时,通过调整预成型焊片的厚度和加载压力,控制封焊时的温度、保温时间、气体压力以及选择高纯度石墨夹具,可以达到5×10-3Pa/(cm3·s的密封性能,封焊成品率可以控制在95%以上。
倒置型装配金锡封焊工艺不但操作简单,同时可以实现整批次同时封焊,极大地提高了生产效率,节约了大量的人力物力。
参考文献:
[1]解启林,朱启政.MCM组件盒体与盖板气密封装倒置钎焊工艺方法[J].电子工艺技术,2007,28(4:
211-213.[2]RaoRTummala,EugeneJRymaszewski,AlanGKlopfenstein.
微电子封装手册[M].北京:
电子工业出版社,2001:
940-942.
[3]徐骏,胡强,林刚等.Sn-Bi系列低温无铅焊料及其发展趋势[J].电子工艺技术,2009,30(1:
1-4.
[4]LakeJK,WildRN.SomefactorsaffectingleadlessChip
carrierssolderjointfatiguelife[J].CircuitWorld,1993,14(4:
29-36.
[5]王涛.金锡焊料低温焊料焊工艺控制[J].集成电路通讯,
2005,23(3:
8-11.
[6]周涛,汤姆.鲍勃,马丁.奥德等.金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用[J].电子与封装,2005,5(8:
5-8.[7]虞觉奇.二元合金状态图集[M].上海:
上海科技出版社,1987.
[8]何中伟,李寿胜.MCM-C金属气密封装技术[J].电子与封装,2006,6(9:
1-6.(收稿日期:
2010-07-19
图8焊接区域不浸润
外溢的焊料
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 采用 合金 气密性 封装 工艺 研究 综述