紫外成像器件光電陰極封接焊料熔層缺陷對(duì)氣密性的影響

徐江濤，楊曉軍，張?zhí)?，韓昆燁

(1.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650223；3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

在紫外成像器件的研究中，為了實(shí)現(xiàn)光電陰極與管體在真空中傳遞封接，保證封接氣密性，必須要先在管體陰極封接盤中熔化一層低熔點(diǎn)焊料，這層焊料的質(zhì)量好壞直接影響著封接氣密性。另外，紫外光電陰極靈敏度和電子發(fā)射穩(wěn)定性與傳遞溫度有著重要關(guān)系，因此要求陰極封接焊料熔點(diǎn)不能太高。從制管總體工藝考慮，我們選用低熔點(diǎn)InSn合金為熱銦封焊料，因其具有熔點(diǎn)低、塑性和流散性好、蒸氣壓低等特點(diǎn)[1-3]，特別適用于熱膨脹系數(shù)不同的材料非匹配封接[4-6]。在對(duì)管體InSn焊料熔化過程中，常出現(xiàn)有焊料流散不均、堆積不連續(xù)、體內(nèi)氣孔等情況，使封接層常出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了器件研制進(jìn)度和制管成品率，特別是由焊料層缺陷引起的慢漏氣，大大縮短了器件的使用壽命。為確保陰極與管體封接氣密性和器件壽命，開展了管體化銦專題研究。

1 管體化銦裝置與過程

紫外成像器件管體化銦是在沈科儀廠生產(chǎn)的HVGRL-500型超高真空設(shè)備中完成的，主抽泵抽速為350 0 L/s的磁懸浮分子泵，極限真空度2×10-6Pa，前級(jí)真空泵為無油機(jī)械泵，系統(tǒng)加熱采用LIP溫控器進(jìn)行自動(dòng)控制，設(shè)備配有試驗(yàn)過程曲線。

管體化銦過程是：把清洗干凈的InSn焊料環(huán)裝入經(jīng)過500 ℃氫氣處理的管體陰極盤中，連同定位夾具一起放入真空爐，對(duì)腔室抽真空，待真空度達(dá)到4×10-4Pa時(shí)，開始以9 ℃/min的升溫速率對(duì)爐膛加溫1 h，在540 ℃中保溫1.5 h后，再以5 ℃/min的速率對(duì)爐膛降溫，1 h后關(guān)閉加熱電源，等爐膛溫度降到室溫后關(guān)閉真空系統(tǒng)，然后對(duì)真空室充N2，取出化銦管體。對(duì)管體化銦層進(jìn)行質(zhì)檢，合格的供給裝管，不合格的視為廢品。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊料流散不均對(duì)氣密性的影響

對(duì)管體InSn合金熔化過程中出現(xiàn)的流散不均勻問題，用晶相理論[7-8]分析可知，焊料升降溫過程中，由于爐內(nèi)溫度梯度的存在，液態(tài)焊料表面存在有不平衡結(jié)晶過程，從而導(dǎo)致原子結(jié)晶梯度不同，偏離平衡成份固熔線，使固熔體平均成份與原合金成份不同而產(chǎn)生不均勻，形成焊料面高低不平。用這種焊料封接陰極，焊料面不能與陰極封接面形成均勻一致的封接層，液面低的與陰極封接面接觸小，當(dāng)焊料溫度降低到熔點(diǎn)以下形成固體后，焊料收縮，使得低面焊料與陰極面脫開產(chǎn)生縫隙，從而致使封接面漏氣。措施：增大爐內(nèi)恒溫區(qū)，合理延長(zhǎng)保溫時(shí)間，緩慢降低溫度下降速率，解決了熔層不均勻問題。

2.2 焊料層斷裂對(duì)氣密性的影響

關(guān)于焊料層斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過分析認(rèn)為，主要是由于焊料低溫時(shí)與基底金屬面的浸潤(rùn)性較差，而且與基金屬面互不熔解。另外，基體金屬表面存在局部氧化，氧化物會(huì)阻止基體金屬原子與液體焊料原子間的直接接觸，削弱兩者之間的附著力，使附著力遠(yuǎn)小于液態(tài)焊料內(nèi)聚力，使焊料不能很好地流散開，冷卻后，就會(huì)形成斷裂狀態(tài)，這種缺陷是不能用于裝管的。只有當(dāng)基體無氧化，焊料和基體金屬相互作用，使液體向基體金屬形成擴(kuò)散，被基體金屬飽和的液體焊料在冷卻時(shí)根據(jù)平衡圖能析出固熔體，就會(huì)使焊料組份向基體金屬晶粒內(nèi)部擴(kuò)散，也即相互熔解，就可保證焊料的流散連續(xù)。解決焊料斷裂的措施是對(duì)已處理干凈的焊料和基底面盡量縮短暴露大氣時(shí)間防止氧化，及時(shí)裝入真空爐，采用無油真空設(shè)備化銦，可消除設(shè)備運(yùn)作時(shí)油蒸汽對(duì)焊料表面的污染，減少真空殘氣對(duì)焊料質(zhì)量的影響。

2.3 氣孔對(duì)封接氣密性的影響

InSn合金焊料熔化實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)焊料層中存在有3種不同類型的氣孔，如圖1所示。

圖1 焊料層內(nèi)氣孔示意圖Fig.1 Schematic diagram of solder layer gas hole

第1種是深孔，即焊料面到基體金屬面的直通孔; 第2種是焊料層體內(nèi)的氣孔; 第3種是焊料表面上的凹型孔。

深孔的形成，用表面張力理論來分析，是由于基體金屬表面和合金焊料表面存在有氧化物或油污染物，當(dāng)焊料加熱熔化后，由于分子熱運(yùn)動(dòng)它們相聚到一起時(shí)，使焊料表面張力增大，阻止了液態(tài)焊料流動(dòng)，焊料降溫氣體動(dòng)能減小，體內(nèi)氣體釋放不到體外，這可能是管體和材料工藝處理過程受污染形成的。這種污染物只能靠提高真空度并將溫度提高到600 ℃, 直到焊料微蒸發(fā)才能消除，但這樣會(huì)造成真空爐膛污染，降低設(shè)備利用率。

試驗(yàn)中，我們觀察到，當(dāng)爐膛升溫使InSn合金達(dá)到熔點(diǎn)溫度后，由于表面張力較大，焊料收縮，先形成球形，隨著加熱溫度的升高，表面張力變小，液體開始浸潤(rùn)固體表面，這時(shí)液體內(nèi)部分子的吸引力小于固體分子的附著力。只有當(dāng)固-氣表面張力大于固-液張力與液-氣表面張力之和時(shí)，液體就展布成薄層，促使焊料體內(nèi)氣體向外釋放，即液體完全浸潤(rùn)固體。實(shí)際上，無論是在焊料體內(nèi)，還是焊料表層產(chǎn)生的氣孔，都是焊料體內(nèi)各種雜質(zhì)和氣體通過熱擴(kuò)散向外釋放的先后時(shí)間不同而異，體內(nèi)氣孔可能是重分子氣孔，擴(kuò)散速度慢，釋放到體外需要時(shí)間長(zhǎng)，表面凹型孔是輕分子氣孔，擴(kuò)散快，在到達(dá)表面后，只需較短的時(shí)間就釋放出表面，并停留在焊料表層內(nèi)。一般來講，只要?dú)饪字睆捷^小，不使焊料面形成斷層，采用二次處理，就可以消除表面凹形孔，焊層體內(nèi)氣孔較少，加上制管時(shí)對(duì)管體再進(jìn)行380 ℃、10 h以上烘烤排氣，可以消除焊料體內(nèi)的氣孔，又由于陰極與管體封接焊料處于液態(tài)，陰極與焊料接觸時(shí)，靠陰極壓力作用將表面的氣孔擠出，所以焊料氣孔對(duì)封接漏氣的影響不是很大，但是在對(duì)焊料表面處理時(shí)，仍不允許刮開的焊料表面有氣孔存在。

InSn合金焊料熔化實(shí)驗(yàn)證明，把InSn合金焊料直接放入管體儲(chǔ)銦槽內(nèi)，無論是采用高頻化銦或真空加熱化銦，都會(huì)使焊料層產(chǎn)生氣孔。由于存銦槽焊料的存在，阻止了焊料基底表面溫度變化，焊料熔化后，使焊料和基底金屬表面的氣體不能快速釋放出來，存留到焊料內(nèi)部，分子的動(dòng)能小于液-氣表面張力時(shí)，很難釋放到液體外，盡管氣體由于熱運(yùn)動(dòng)向液體外擴(kuò)散，但由于液體重力的作用，阻止了氣體向液體外擴(kuò)散速度，只有那些氣體動(dòng)能大于液-氣表面張力的氣體，才會(huì)較快釋放出體內(nèi)，而動(dòng)能小的會(huì)留在焊料體內(nèi)產(chǎn)生氣孔。所以消除焊料體內(nèi)氣孔，關(guān)鍵是要保證基底材料表面和焊料體內(nèi)無氣體、無雜質(zhì)，InSn合金焊料在基底表面有良好的浸潤(rùn)性。在管體陰極盤化銦槽表面蒸鍍一層與InSn合金侵潤(rùn)性良好的金屬膜，把焊料與管體分開真空烘烤除氣，然后高溫對(duì)管體進(jìn)行澆鑄化銦，保證管體化銦質(zhì)量。

3 改進(jìn)措施

3.1 化銦設(shè)備改進(jìn)

前期管體化銦真空爐極限真空度低、排氣慢、爐體加熱采用鉭帶通電升溫，放氣量大，真空系統(tǒng)為半無油，真空殘氣對(duì)焊料表面影響較大，管體化銦成品率低。為此，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，制造了專用管體化銦設(shè)備，采用全無油分子泵加無油機(jī)械泵結(jié)構(gòu)，排除了油污染，改鉭帶加熱為碘鎢燈光輻射加熱，放氣量少，極限真空度由4×10-5Pa提高到4×10-6Pa,特別是一次可化9只管體，只需要5 h，比改進(jìn)前管體化銦效率提高了40%，合格率提高了35%。

3.2 管體凈化

為了徹底消除管體儲(chǔ)料槽表面氧化，采取化銦前先對(duì)管體進(jìn)行600 ℃、1 h燒氫凈化處理，以保證焊料在基底面的快速流散性，凈化過的管體要及時(shí)送入化銦臺(tái)，防止焊料基底表面氧化。

3.3 焊料預(yù)除氣

為了有效去除焊料體內(nèi)的雜質(zhì)和有害殘氣，保證焊料熔層體內(nèi)無氣孔，采用對(duì)焊料單獨(dú)進(jìn)行真空度10-5Pa、高溫500 ℃、保溫2 h的預(yù)除氣。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)焊料除氣后，注入到管體儲(chǔ)料槽內(nèi)，焊料體內(nèi)無氣泡、流散均勻，提高了管體化銦成品率。

3.4 管體注料工藝

在分析了管體焊料熔層氣孔產(chǎn)生的原因后，采取把焊料與管體相分離，同時(shí)在真空度10-5Pa條件下，進(jìn)行高溫540 ℃、保溫3 h除氣，然后真空度保持在10-5Pa、500 ℃下對(duì)管體焊料進(jìn)行澆注熔化，徹底解決了焊料熔層存在的質(zhì)量問題。

管體注料工藝過程是：把清洗干凈的InSn合金焊料和管體同時(shí)在潔凈環(huán)境中裝入專用化銦夾具中，立即送入專用全無油真空化銦臺(tái)抽真空，待真空度達(dá)到4×10-5Pa時(shí)，采用碘鎢燈內(nèi)加熱對(duì)夾具和管體進(jìn)行540 ℃烘烤除氣，經(jīng)過3 h保溫后，總壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，高溫下打開注料閘門，使InSn合金焊料依靠重力作用流入管體陰極盤儲(chǔ)銦槽。由于焊料和基底儲(chǔ)銦槽表面經(jīng)過預(yù)先高溫除氣，體內(nèi)和表面氣體已完全釋放，最重要的是儲(chǔ)銦槽表面處于高溫狀態(tài)，有很大的表面張力，當(dāng)焊料流入儲(chǔ)銦槽后，會(huì)立即在儲(chǔ)銦槽表面流散開，并迅速均勻填滿管體注料槽內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)管體鑄銦。通過三維測(cè)量?jī)x對(duì)管體澆注InSn合金層體內(nèi)質(zhì)量檢測(cè)，焊料體內(nèi)氣泡徹底消失，管體化銦成品率提高35%，陰極與管體封接氣密性成品率達(dá)到了98%，促進(jìn)了紫外成像器件研究工作的進(jìn)展。管體注料工藝除了用于紫外成像器件，還可應(yīng)用于雙通道板光電倍增管和二代近貼微光管[9-10]。圖2為管體注料裝置示意圖。

圖2 管體注料裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of tube solder pouring

4 結(jié)論

通過對(duì)InSn合金熔層體內(nèi)產(chǎn)生氣孔機(jī)理分析，并經(jīng)實(shí)踐證明，InSn合金熔層內(nèi)氣孔主要是由焊料和基材體內(nèi)氣體及雜質(zhì)產(chǎn)生的，采用管體注料工藝，對(duì)焊料和基底材料進(jìn)行隔離除氣，真空度穩(wěn)定在4×10-5Pa、高溫500℃下對(duì)管體注料，管體注料合格率達(dá)到100%，陰極與管體封接氣密性成品率達(dá)98%，加速了器件研究進(jìn)度，促進(jìn)了器件發(fā)展，并成功地研制出了紫外成像器件、雙通道光電倍增管和二代近貼微光管。

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