合金焊料蓋板選擇與質(zhì)量控制

丁榮崢，馬國榮，史麗英，李 杰，張軍峰

（1.江蘇省宜興電子器件總廠，江蘇 宜興 214221；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；3.無錫天和電子有限公司，江蘇 無錫 214062）

1 引言

高可靠集成電路、MEMS等器件，通常采用平行縫焊、儲能焊、激光焊、低溫玻璃熔封、合金焊料熔封等密封工藝來實現(xiàn)。不同密封工藝對器件耐受的溫度要求不同，玻璃熔封、合金焊料熔封適合于聲表面波等對高溫非常敏感的器件的密封，用平行縫焊、儲能焊等實現(xiàn)高真空可靠密封顯然較困難，也不經(jīng)濟(jì)。不同密封方式，對外殼和蓋板的要求也不同。平行縫焊需要銀銅焊料等中溫焊料，釬焊柯伐等密封環(huán)和蓋板焊接處厚度在0.10 mm左右；儲能焊需要外殼密封口有錐形凸起密封筋且外殼抗沖擊性要高；合金焊料熔封工藝要求外殼金屬化并有易焊的電鍍層；低溫玻璃熔封要求密封面是與玻璃易牢靠熔接的陶瓷、氧化層等；激光焊投資相對高且對焊縫周邊鍍層破壞大。Au80Sn20等合金焊料密封不僅能用于各類高可靠IC，也能用于MEMS中慣性陀螺等并滿足高真空、低漏率；也能用在PHEMT結(jié)構(gòu)GaAs器件的密封腔內(nèi)，滿足氫含量低的要求。顯然在綜合考慮外殼和蓋板成本、適應(yīng)多種類型器件、密封工藝設(shè)備投入、成品率、可靠性等因素，合金焊料熔封工藝是首選[1,2]。

合金焊料熔封工藝中使用最廣泛的是Au80Sn20合金焊料，其他的如Sn96.5Ag3.5、Sn5Pb92.5Ag2.5或其他相近焊料也在使用，但能適應(yīng)高真空、高強(qiáng)度、耐腐蝕高要求的還是首選Au80Sn20焊料。

Au80Sn20合金焊料在使用中還經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，如斷點、爬蓋、流淌、飛濺、內(nèi)溢、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、內(nèi)部氣氛、耐蝕和超薄封裝易短路等問題。斷點、爬蓋、流淌、飛濺已在相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行了充分討論[3～5]，參見圖1，在此不再展開。本文只重點討論合金焊料蓋板強(qiáng)度、內(nèi)部氣氛、耐蝕和超薄密封如何選擇蓋板并控制質(zhì)量。

圖1 合金焊料典型缺陷圖

2 蓋板強(qiáng)度

密封的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要從蓋板結(jié)構(gòu)和密封尺寸兩個方面來考慮。

首先需要根據(jù)密封尺寸來確定密封蓋板的形狀和大小，再根據(jù)密封電路所需承受的各種機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力的最大值來確定蓋板的厚度。蓋板厚度可以根據(jù)經(jīng)驗值來確立，也可運(yùn)用各種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬分析軟件來確立。根據(jù)金屬板材系列化厚度規(guī)格（如0.10 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.40 mm等），采取“就高不就低”的原則來確定蓋板厚度。

密封蓋板材料、結(jié)構(gòu)和尺寸確定后，密封強(qiáng)度、氣密性和氣密性可靠性還與焊料性能、焊縫寬度（與焊料寬度相關(guān)）、熔封質(zhì)量等有關(guān)。外殼等密封區(qū)已定，在合金焊料密封蓋板選擇時，主要根據(jù)蓋板所要承受的機(jī)械應(yīng)力（如沖擊、熱應(yīng)力等）來確定焊料最小寬度，以控制焊料成本支出，特別是含貴金屬的Au80Sn20焊料。對于較大尺寸的封口(如MCP、MCM、SiP等)，蓋板可以采用“蜂窩”結(jié)構(gòu)來減輕重量，提升蓋板機(jī)械強(qiáng)度、抗熱應(yīng)力能力，且又不減小焊料寬度要求。

可采用SurfaceEvolver軟件、ANSYS Workbench等軟件，通過焊縫形貌模擬分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞有限元分析，模擬分析優(yōu)化合金焊料片厚度、寬度。

3 合金封帽器件內(nèi)部氣氛

高可靠器件通常需要控制如水汽、氧氣、氫氣、二氧化碳等內(nèi)部氣氛[6～8]。充惰性氮?dú)馄骷膬?nèi)部雜質(zhì)氣體受外殼、蓋板、芯片粘接等材料氣體釋放、密封工藝環(huán)境以及密封后腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)影響。與合金密封蓋板相關(guān)的主要有氫氣[8]、氧氣等。釋放的氫氣主要來源于4J29、4J42等蓋板材料本體，氫在鐵鎳合金等中的溶解度在各類教科書中均有描述[10]，另一方面是蓋板電鍍鎳-金或鎳-金-鎳-金鍍層時隨金屬淀積下來的氫；釋放的氧氣主要來源于Au80Sn20等焊料表層的氧化，熔封時釋放分解部分氧。富錫表面焊料片加工中或貯存條件不良、長期貯存時均會引起焊料表層的輕微氧化，由于Au80Sn20焊料的致密性，氧化層非常薄，通常僅在5 nm以內(nèi)。采用俄歇電子能譜對常溫條件下貯存6個月的Au80Sn20焊料片分析了表面氧深度，參見圖2。

圖2 Au80Sn20焊料片表層氧含量分析

蓋板原材料、電鍍蓋板均可以經(jīng)過脫氫工藝處理來去除掉氫，同樣Au80Sn20焊料片表層氧也可以采用還原工藝技術(shù)手段來去除或控制。大多數(shù)器件對內(nèi)部氫氣、氧氣含量沒有要求。選擇合金焊料蓋板時，要根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行合金焊料蓋板的選擇或向蓋板生產(chǎn)廠商提出相關(guān)技術(shù)要求，以有效控制密封腔體內(nèi)的雜質(zhì)氣體含量低于目標(biāo)要求，實現(xiàn)器件質(zhì)量的穩(wěn)定和高可靠性。

4 蓋板耐蝕

蓋板本體材料及其表面缺陷密度、不同鍍層種類及鍍層結(jié)構(gòu)和厚度、鍍層的不同處理工藝，均影響蓋板耐蝕能力。

4J29、4J42等材料的本體雜質(zhì)、砂眼等影響蓋板的耐蝕能力，我們在對集成電路等器件做24 h鹽霧試驗時就常發(fā)現(xiàn)蓋板有局部腐蝕點，參見圖3。

圖3 常見蓋板局部點腐蝕圖

電鍍前除了常規(guī)的除銹、去油等處理之外，采用精壓、噴砂密壓、燒氫等表面改性可使其耐蝕性得到提升。

相同鍍層厚度，因化學(xué)電位，單純的Ni鍍層比Ni鍍層上加Au鍍層的蓋板的抗蝕性好；對電鍍后的鍍層進(jìn)行致密化燒結(jié)處理的蓋板，其耐蝕能力更強(qiáng)些，參見圖4。250 mm×25 mm×0.10 mm左右4J42板電鍍4.0 μm鎳、電鍍～4.0 μm鎳加～2.3 μm金層的兩塊樣品，再按GJB548B-2005 方法1009.2，試驗實測NaCl溶液濃度為1.2%、pH值為6.8～7.1、溫度（35±3）℃、沉降速率為（34～47）g/（m2·d），經(jīng)過連續(xù)96 h試驗，鍍鎳的試驗合格（腐蝕面積≤1.0%），而加鍍金層的在24 h和48 h時腐蝕面積≤1.0%，合格，到96 h時的腐蝕面積達(dá)到2.5%，已不合格。

圖4 致密化鎳層及鍍金后96 h鹽霧（耐蝕）試驗正面圖

合金鎳電鍍層（如含P在8%～12%的Ni-P、含Co 20%～40%的Ni-Co等），圖5是Ni-Co鍍層表面顯微形貌圖，其晶粒更細(xì)，致密性更優(yōu)，耐蝕能力更強(qiáng)些。

圖5 20%～40% Ni-Co合金鍍層的外殼（蓋板）

低成本平行縫焊蓋板通常采用金屬板先電鍍再沖制成型。蓋板周邊是沒有鍍層的，加上沖制截面劃痕，焊縫在鹽霧（腐蝕）試驗時是最先、最容易發(fā)生腐蝕的地方，且程度最重。全鍍層蓋板在平行縫焊拐角燒蝕點是最易發(fā)生腐蝕的地方，參見圖6。

圖6 平行縫焊蓋板及平行焊縫24 h鹽霧（腐蝕）圖

在選擇高可靠密封器件蓋板時，需要根據(jù)耐蝕要求、密封工藝條件等來選蓋板。蓋板耐蝕能力應(yīng)與外殼耐蝕能力一致，器件整體的耐蝕能力是全部的總和，不建議選擇比外殼耐蝕能力高的。如想選純鎳蓋板，需要考慮熱膨脹系數(shù)匹配以及平行縫焊工藝參數(shù)的調(diào)整，防止解決了耐腐蝕而忽略了密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其可靠性。

5 小型超薄型器件密封蓋板

隨著器件向薄型化、小型化和輕量化發(fā)展，密封腔芯片、鍵合絲等與蓋板間隙也更小，常規(guī)50 μm Au80Sn20焊料蓋板密封常出現(xiàn)焊料內(nèi)溢而導(dǎo)致短路，見圖7。這就要求我們選擇合金焊料密封蓋板時要進(jìn)行焊料熔融流變分析，合理選擇焊料的厚度、焊料尺寸和圓弧角。

圖7 合金焊料密封蓋板選擇不當(dāng)引起的短路圖

如小尺寸器件選擇更薄的蓋板（如0.20 mm、0.15 mm、0.10 mm等）、降低焊料片厚度（如Au80Sn20可以做到15 μm）甚至寬度，并通過提高密封區(qū)共面度、密封工藝（如壓力、溫度）等控制焊料溢出量。通過密封試驗、密封后X射線CT圖像來檢測合金焊料溢出或解剖分析，也可幫助研究判別合金焊料片尺寸的合適度，對不合適的經(jīng)再次修改尺寸來實現(xiàn)優(yōu)化。

合金焊料的寬度并不等同于焊縫的寬度，尤其對于小尺寸的密封器件。焊接強(qiáng)度不能僅僅簡單根據(jù)焊料寬度來計算，需要將焊料溢流形成的彎月面焊接面積計算進(jìn)去，也可通過相關(guān)焊接模擬分析軟件來模擬計算。

在密封中，希望合金焊料按設(shè)計的密封焊接區(qū)、形狀流淌融合，從而保證無焊縫斷點、無焊料爬蓋、無焊料流淌、無焊料飛濺甚至引起短路等，參見圖1和圖7。為此，可以按如圖8所示的專利結(jié)構(gòu)[9,10]，很好地保證焊料的流淌，解決全鍍金蓋板帶來的問題，實現(xiàn)密封設(shè)計所要的焊縫。

圖8 帶焊料流淌限制的蓋板圖

6 結(jié)束語

綜合考慮多方面因素，合理選擇合金焊料蓋板，可以提高封裝電路的氣密性和成品率，并更好地提升產(chǎn)品密封強(qiáng)度、密封內(nèi)部氣氛控制和密封耐腐蝕等可靠性，降低因密封引起的質(zhì)量成本。

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