微電子模塊氣密性封焊技術發(fā)展及應用

皋利利，包曉云，顧網(wǎng)平，茹 莉

（上海無線電設備研究所，上海200090）

微電子模塊氣密性封焊技術發(fā)展及應用

皋利利，包曉云，顧網(wǎng)平，茹 莉

（上海無線電設備研究所，上海200090）

對微電子模塊氣密性封焊技術的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，綜述了平行縫焊技術、釬焊封焊技術及激光封焊技術的工藝特點及應用領域，重點介紹了不同氣密性封焊技術對結(jié)構(gòu)設計、材料選擇等方面的要求。

氣密性封焊；平行縫焊；釬焊封焊；激光封焊

0 前言

混合微電子模塊是航天電子產(chǎn)品的關鍵部件之一，由于服役環(huán)境苛刻，要求模塊具有優(yōu)異的抗輻照、抗惡劣環(huán)境的需求，因此需要對模塊進行氣密性封蓋以保證其內(nèi)部電路及元器件在服役環(huán)境下的性能和可靠性[1]，氣密封蓋可以保護模塊內(nèi)部的電路與外界的隔絕，不受外界環(huán)境的干擾與破壞。由于微電子模塊在封蓋前已經(jīng)完成了內(nèi)部電路的裝配，因此在封蓋過程中，在保證封蓋氣密性的同時，需要考慮封蓋工藝不會對內(nèi)部電路造成影響。目前國內(nèi)外常用的氣密性封蓋技術有釬焊封焊、平行縫焊和激光封焊三種，其特點比較如表1所示，不同的封蓋技術對結(jié)構(gòu)設計和材料選擇均有特定的要求。

表1 主要氣密封蓋方法特點

影響氣密性封蓋質(zhì)量的關鍵因素是腔體蓋板設計、材料選擇以及工藝過程控制等方面。在此概述目前國內(nèi)外金屬盒體三種常用的氣密性封蓋技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用，總結(jié)影響氣密性封焊質(zhì)量的關鍵要素，為混合微電路氣密性封蓋工藝的選擇提供依據(jù)。

1 氣密封蓋技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用

1.1 平行縫焊技術

平行縫焊技術是一種電阻焊，其焊接示意如圖1所示。通過滾輪電極和金屬蓋板形成閉合回路，整個回路的高阻點位于電極與蓋板接觸部位，在電極與蓋板接觸點處產(chǎn)生極高的局部熱量，使接觸處局部熔化、凝結(jié)，隨著滾輪電極的連續(xù)移動形成一個完整、連續(xù)的焊縫區(qū)域。平行縫焊具有可靠性高、密封性能優(yōu)越以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是目前微電子器件中常用的氣密性封裝技術之一，技術發(fā)展相對較為成熟。國內(nèi)較早使用的平行縫焊設備基本來自于國外，引進廠家也主要集中在軍工研究所，近年來我國

中電二所積極展開了平行縫焊設備以及工藝技術的自主研發(fā)，并取得了顯著成果[2]。

圖1 平行縫焊焊接示意

2.1.1 結(jié)構(gòu)設計

平行縫焊對蓋板的設計以及蓋板與殼體的匹配性要求極高，平行縫焊盒體及蓋板設計應滿足以下幾點要求[3]：①平行縫焊結(jié)構(gòu)設計為規(guī)則的形狀，對稱多邊形或者圓形；②蓋板的結(jié)構(gòu)為臺階式結(jié)構(gòu)，保證蓋板與組件殼體焊接時能精確定位以及焊接過程中接觸電阻的一致性；③蓋板邊緣待焊接區(qū)域厚度控制在0.08～0.12 mm內(nèi)，蓋板的單邊尺寸比殼體尺寸小0.025～0.075 mm；④蓋板表面平整度控制在0.04 mm以內(nèi)，便于蓋板與盒體之間的緊密接觸；⑤蓋板與盒體的拐角半徑與電極錐度相匹配以達到良好配合。在盒體和蓋板的加工方面，由于平行縫焊蓋板邊緣厚度較薄，且對平整度的要求極高，采用機加工方法進行蓋板的加工難度極大，需采用蝕刻方法進行蓋板的加工。

2.1.2 材料選擇

從材料選擇角度來考慮，由于平行縫焊主要依靠接觸電阻產(chǎn)熱而完成焊接，因此較多選用適合電阻焊接的材料進行盒體及蓋板的設計。目前應用較多的材料有不銹鋼及可伐合金等，要求盒體與蓋板材料的線膨脹系數(shù)盡可能接近，平行縫焊一般不需要進行表面涂覆處理，若有涂覆需求，應在封焊前對鍍層材料及厚度進行優(yōu)化。也有學者采用預置焊環(huán)的方式進行微電子器件的平行縫焊氣密性封蓋，李茂松等人[4]研究了基于AuSn合金焊料的平行縫焊技術，實現(xiàn)了LCC28封裝器件的氣密性封焊一次合格率達到了99％以上，較好地解決了含鍍層盒體及蓋板的氣密性封焊。

除了盒體結(jié)構(gòu)及材料對封焊質(zhì)量具有重要影響之外，平行縫焊電極[5]及工藝參數(shù)[6]的選擇對封焊質(zhì)量亦有重要影響。電極的影響主要體現(xiàn)在電極角度、電極表面平整度、電極表面潔凈程度及封焊過程中的電極位置四個方面；工藝參數(shù)影響主要體現(xiàn)在焊接電流或焊接功率、電極壓力、脈沖周期、脈沖寬度以及焊接速度的選擇等。實際封焊過程中可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設計及材料要求進行相應參數(shù)的優(yōu)化，以達到良好的封焊效果。

2.2 釬焊封焊技術

釬焊封焊技術是國內(nèi)外微電子器件廣泛應用的氣密封封焊方式之一，封焊質(zhì)量受盒體和蓋板材料影響較小，主要受盒體結(jié)構(gòu)、焊料以及焊接工藝方法的影響，靈活性最大，近些年來取得了快速的發(fā)展。其劣勢在于進行封蓋封焊時，通常需要對模塊進行整體加熱，對模塊內(nèi)部電路的耐溫性具有嚴格的要求，一般適用于較小尺寸模塊的氣密封封焊。2.2.1結(jié)構(gòu)設計

釬焊封焊過程中，在盒體結(jié)構(gòu)設計方面主要考慮盒體與蓋板之間具有良好的可裝配性以保證焊接過程中的準確定位，主要有臺階式[7]、嵌入式[8]設計和直蓋式[9-10]三種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，配以適當?shù)暮附庸に嚪椒?，能實現(xiàn)模塊的氣密性封焊。

圖2 釬焊封焊結(jié)構(gòu)設計示意

2.2.2 材料選擇

釬焊封焊材料選擇主要考慮兩個方面：一方面要求盒體與蓋板封焊部位必須有可焊性鍍層；另一方面，由于盒體已完成內(nèi)部電路及元器件的裝配，要求封焊溫度低于內(nèi)部電路可承受的溫度，需選擇合適熔點的釬焊材料。目前研究中常見的封焊釬焊材料根據(jù)熔點差異主要有Au-20Sn共晶焊料（280℃）[9-10]、Sn-3.5Ag（221℃）[11]、Sn-37Pb（183℃）[12]、In80Pb15Ag

（150℃）、In-52Sn（117℃）[13]等，不同溫度的焊接材料滿足微電子模塊的封蓋需求。

近些年出現(xiàn)了一些較為新穎的釬焊封焊技術，中電29所的劉遠志[13]等人通過對Cu鍍Au腔體微波器件的激光封焊和真空釬焊工藝方法進行比較研究，提出了一種“小孔密封”的全新工藝路徑，實現(xiàn)了Cu鍍Au腔體微波器件低成本、工程化氣密性封裝。該種焊接方式國外的研究中也有所體現(xiàn)[14]，模塊封裝實物如圖3所示，完成內(nèi)部元器件的裝配后，首先進行盒蓋與基板的焊接，再充入保護氣氛進行小孔的封焊。整個焊接過程中，熱平臺的預熱溫度最高為120℃，輔助烙鐵實現(xiàn)焊接，不會對內(nèi)部器件電路產(chǎn)生影響，有效解決了傳統(tǒng)釬焊封焊技術中模塊需整體加熱的弊端。

圖3 “小孔密封”模塊封裝實物[14]

2.3 激光封焊技術

激光封焊技術與釬焊封焊技術相比屬局部加熱焊接方法，對電子模塊內(nèi)部電路熱影響極小，且適合于一些較大尺寸模塊的氣密性封焊；與平行縫焊技術相比，其適合于非規(guī)則結(jié)構(gòu)盒體的氣密性封焊，且可實現(xiàn)一些導電材料的氣密性封焊。因此，近些年來，激光封焊技術在微電子模塊的氣密性封焊中得到了越來越廣泛的應用。

2.3.1 結(jié)構(gòu)設計

激光封焊方式根據(jù)盒體結(jié)構(gòu)設計的不同主要有對焊、對焊/邊焊、疊焊、疊焊/T型焊接、角焊/邊焊幾種焊接形式[15]，不同形式焊接接頭如圖4所示。中電14所的吳金財[16]系統(tǒng)研究了普通搭接接頭、自適定位搭接接頭、鎖底自對中接頭以及斜邊對接接頭四種常見接頭的激光封焊特點，并從可焊性及氣密性、制備難易程度、可操作性以及可維修性等方面進行了比較，指出自適應定位搭接接頭具備最佳的綜合性能。有關盒體及蓋板設計方面，對焊接頭對蓋板的厚度沒有嚴格的要求，但需要盒體與蓋板的配合間隙小于0.05 mm；采用疊焊接頭，則要求蓋板的厚度控制在0.5 mm以下。

圖4 激光封焊焊接接頭示意

2.3.2 材料選擇

目前激光封焊中盒體及蓋板材料多數(shù)采用鋁合金及可伐合金，部分領域亦有采用無氧銅或黃銅材料。中電13所的李娜[17]等人對微電子模塊中常用封裝材料（鋁合金、無氧銅、黃銅及可伐合金）的激光封焊工藝進行了研究，并研究了材料表面處理對激光封焊質(zhì)量的影響，指出鋁合金未做表面處理或本色導電氧化處理后均具有良好的封焊性能；無氧銅在表面鍍鎳金降低銅的鏡面反應后具有良好的封焊性能；黃銅由于Zn元素含量較高，在進行表面鍍鎳金處理后，封焊效果仍較差，不建議采用激光封焊；可伐合金未做表面處理具有良好的封焊性能，表面鍍鎳金處理后封焊性能極差，應在封焊前將焊接部位的鍍層進行機械去除。

在新材料發(fā)展及應用方面，高硅鋁合金及碳化硅增強鋁合金材料由于其密度低、散熱性能好、與裸芯片的熱膨脹系數(shù)匹配性好等突出優(yōu)點，成為國內(nèi)外封裝材料的研究熱點，但高質(zhì)量封焊問題一直是制約其廣泛應用的主要原因之一。中電38所的周明智[18]等人采用激光封焊技術進行了含硅量50％硅鋁合金盒體與含硅量27％硅鋁合金蓋板的焊接工藝研究，指出封焊過程中由于高硅鋁材料的內(nèi)部硅裂，焊縫易產(chǎn)生微裂紋，導致氣密性難以滿足要求，其氣密性封焊技術還需進一步優(yōu)化。Zhu等人[19]則通過采用制備Sip-SiCp/Al混雜復合材料，在保證碳化硅增強鋁合金材料優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)碳化硅增強

鋁合金材料的氣密性激光封焊，為高性能碳化硅增強鋁合金的氣密性封焊提供了良好的方案。

3 結(jié)論

概述微電子模塊常用的平行縫焊、釬焊封焊以及激光封焊三種氣密性封焊技術的發(fā)展現(xiàn)狀及應用特點。平行縫焊對盒體及蓋板的結(jié)構(gòu)設計具有嚴格的要求，材料一般需選擇高電阻率材料，應用靈活性稍差；釬焊封焊受盒體設計及材料的選擇影響較小，應用靈活性較大，但需保證封焊溫度低于盒體內(nèi)部電路可承受溫度；激光封焊是近年來發(fā)展較快的一種氣密性封焊技術，局部加熱，不會對模塊內(nèi)部電路產(chǎn)生影響，且可實現(xiàn)復雜盒體的氣密性封蓋，應用領域最為廣泛。

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Development and applications of hermetic sealing technology for microelectronics modulus

GAO Lili，BAO Xiaoyun，GU Wangping，RU Li
（Shanghai Institute of Radio Equipment，Shanghai 200090，China）

The current research of hermetic packaging technology for microelectronics modulus was summarized in this paper.Moreover，the technological characteristics and application fields ofsolder sealing,parallel seam sealing，laser sealing were reviewed.Specifically，the requirements such as structural design and material selection about different sealingtechnologies were introduced.

hermetic sealing；parallel seam sealing；solder sealing；laser sealing

TG47

C

1001－2303（2016）07－0105-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.24

2015-10-22；

2016-05-12

皋利利（1985—），女，上海人，高級工程師，博士，主要從事電子裝聯(lián)與微組裝技術的研究工作。