基于InPb合金的非制冷焦平面探測(cè)器窗口低溫焊接工藝研究

袁 俊，龔 瑜，馮江敏，楊 璇，太云見，何雯瑾，朱 琴，普朝光，黎秉哲

基于InPb合金的非制冷焦平面探測(cè)器窗口低溫焊接工藝研究

袁 俊1，龔 瑜2，馮江敏1，楊 璇1，太云見1，何雯瑾1，朱 琴1，普朝光1，黎秉哲1

（1.昆物理研究所，昆明 6500223；2.昆明市中小企業(yè)服務(wù)中心，昆明 650041）

研究了采用純度為99.9%的In70Pb30合金作為焊料片的低溫焊接技術(shù)，分析了焊接時(shí)候的影響因素：焊料片的影響、升溫速率、焊接溫度、真空度，通過采用甲酸對(duì)焊料片預(yù)處理去除氧化層，在215℃、5×10-7torr的真空環(huán)境下進(jìn)行了焊接，焊接后的樣品采用X-ray、拉力測(cè)試系統(tǒng)、檢漏儀測(cè)試了樣品的孔洞率、焊接強(qiáng)度、漏率，結(jié)果表明：焊接后焊接區(qū)域合金均勻、無縫隙、孔洞率少、剪切力高、氣密性好，能夠滿足非制冷焦平面的窗口封接的氣密性要求。

InPb焊料；非制冷焦平面探測(cè)器；探測(cè)器窗口；低溫焊接

0 引言

近十年來，非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，新器件的開發(fā)周期越來越短、陣列規(guī)模越來越大、性能越來越高，而影響非制冷紅外探測(cè)器性能和可靠性的主要因素是封裝技術(shù)[1]。目前非制冷焦平面探測(cè)器成熟的封裝技術(shù)主要有兩種：金屬封裝和陶瓷封裝，兩種封裝形式都需進(jìn)行窗口焊接，窗口的焊接質(zhì)量直接影響著探測(cè)器組件的真空度和可靠性。

非制冷焦平探測(cè)器窗口焊接主要是完成窗口與殼體的焊接，為了實(shí)現(xiàn)焊接后的窗口與管殼的低的孔洞率和小的漏率，采用In70Pb30合金作為非制冷焦平面探測(cè)器窗口低溫焊是一種重要的方法。In70Pb30合金的熔點(diǎn)低（175℃），物理和機(jī)械性能良好，顯著減少了窗口部件與可伐焊接面的熱膨脹系數(shù)和機(jī)械應(yīng)力相差較大所致的焊接面的開裂、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的后期失效；同時(shí)采用的焊接方式為真空焊接，有效地減少了焊接面的孔洞，提高了組件的可靠性。

本文主要介紹了采用InPb焊料焊接窗口的影響因素，并摸索最優(yōu)化工藝條件方案。

1 In70Pb30焊料焊接窗口的影響因素

1.1 InPb焊料對(duì)封裝的影響

1）焊料純度的影響

焊料的純度直接影響著焊接后的孔洞率和強(qiáng)度，其原因是如果焊料片中含有氧、碳、硅及一些高熔點(diǎn)雜質(zhì)，在熔融環(huán)境中產(chǎn)生的含雜質(zhì)薄膜將阻礙焊料片與金屬化表面的融合，從而產(chǎn)生孔洞[2]。為此必須采用高純度的焊料片，才能避免焊料片帶來的孔洞率，焊料的選擇在3以上的級(jí)別方能滿足焊接需求，本論文采用的是99.9%純度的焊料片。

2）焊料片預(yù)處理

由于In70Pb30焊料在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中容易形成很薄的氧化層，它將阻止鍵合，同時(shí)影響焊料的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，因此在放入真空室焊接前應(yīng)去除自然生成的氧化層。同時(shí)考慮到焊接過程不影響窗口的紅外增透膜，焊接時(shí)候不允許使用助焊劑和還原性氣體。為此在焊接前，需采用等離子體干法清洗和弱酸清洗都可以去除氧化層，但等離子清洗時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量熱，再取出時(shí)會(huì)帶來二次氧化，不利于焊接。為此本焊接采用是弱酸清洗的方式來處理，其處理方式可采用稀釋后的氫氟酸、鹽酸、甲酸（HCOOH）來清洗，考慮到氫氟酸和鹽酸都會(huì)一定的生成物，也會(huì)影響焊接質(zhì)量，為此在工藝中采用還原性強(qiáng)的甲酸加熱進(jìn)行還原處理，能有效地去除表面氧化層和氧化物雜質(zhì)。

為了了解甲酸對(duì)焊料焊接的影響，我們對(duì)焊料做了兩組試驗(yàn)：一組是沒有用甲酸加熱處理進(jìn)行的焊料熔化狀態(tài)；另一組則是用甲酸加熱處理（甲酸100℃加熱處理InPb 10min，純水沖洗15min，氮?dú)獯蹈桑┖筮M(jìn)行的焊料熔化狀態(tài)。兩組試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，采用甲酸處理后進(jìn)行熔融的InPb焊料表面缺陷狀況、浸潤(rùn)性和流動(dòng)性都未處理的狀況要好，并且有效地去除表面的氧化層，有利于后期的焊接。

1.2 焊接時(shí)候的溫度曲線影響

非制冷焦平面探測(cè)器窗口的焊接溫度曲線是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一。焊接時(shí)需考慮其焊接溫度、升溫速率、恒溫時(shí)間等影響因素，其原因是：

1）焊接溫度的選擇：如果焊接溫度過高，焊料中銦組份會(huì)快速地與紅窗口及可伐蓋板上的金發(fā)生合金反應(yīng)，合金后的成分較脆，柔性變差，焊縫容易開裂，影響了焊接后的可靠性。如果焊接時(shí)的溫度過低，又會(huì)影響焊料的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性，焊接后會(huì)帶來大量的孔洞，也影響了焊接后的焊接后的可靠性，為此這個(gè)溫度一般需要高出焊料溫度30℃～50℃（焊料熔點(diǎn)175℃）。

2）升溫速率的影響：考慮到升溫速率過快，會(huì)導(dǎo)致焊料到處飛濺，從而導(dǎo)致焊接面產(chǎn)生孔洞，影響組件的可靠性[3]，同時(shí)由于焊料較軟，飛濺到窗口上的焊料很難去除，影響到了窗口的質(zhì)量和紅外通過率，圖2為直接升溫焊接后的照片，升溫速率較快，焊接條件是：焊接溫度215℃、升溫時(shí)間2min、恒溫時(shí)間3min、降溫時(shí)間6min（升溫速率107℃/min），從圖2可以看出，窗口表面有很多小顆粒，即為快速升溫飛濺出來的焊料，嚴(yán)重影響了焊接品質(zhì)。

為了摸索出其最佳的升溫速率，做了大量的試驗(yàn)，當(dāng)升溫速率＜70℃/min時(shí)，其焊料基本沒有飛濺，并且重復(fù)性較好，圖3為升溫速率為50℃/min焊接后的照片，基本沒有焊料飛濺，保證了焊接后的品質(zhì)。

圖1 InPb焊料片熔融表面狀況

圖2 升溫速率為107℃/min焊接后的照片

圖3 升溫速率為50℃/min焊接后的照片

3）恒溫時(shí)間：當(dāng)焊料熔融后，如果恒溫時(shí)間過長(zhǎng)，也會(huì)與窗口和可伐蓋板上的金層發(fā)生合金反應(yīng)，影響焊機(jī)后的質(zhì)量，為此一般應(yīng)在10min以內(nèi)。

4）考慮到紅外窗口和可伐之間熱膨脹系數(shù)相差較大、又是真空加熱，窗口在焊接時(shí)候應(yīng)分段升溫處理，增加一個(gè)預(yù)處理溫度能有效減少因可伐和紅外窗口的熱應(yīng)力帶來的影響。

根據(jù)上述的分析，在焊接工藝中將焊接溫度提高了40℃，即215℃，預(yù)處理溫度為165℃，升溫時(shí)間均為5min，恒溫時(shí)間為3min，降溫時(shí)間6min，圖4為焊接溫度曲線圖。

1.3 焊接真空度的影響

當(dāng)焊料片純度滿足要求時(shí)，窗口焊接時(shí)產(chǎn)生孔洞的另一個(gè)根源是氣體。在裝配元件時(shí)，焊料片、窗口和可伐蓋板會(huì)有諸如空氣、水汽等無用氣體的吸附，同時(shí)這些氣體會(huì)對(duì)焊接面形成一個(gè)有效的氣密封，因此除去這些無用氣體將很關(guān)鍵，因?yàn)楹附訒r(shí)一旦形成氣孔，將會(huì)產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生的孔洞會(huì)使焊接面焊接強(qiáng)度減弱，降低了組件的可靠性[4]。

圖4 焊接溫度曲線圖

真空焊接可以程控控制真空度的變化，盡可能地將吸附到焊料片、窗口、可伐蓋板上的氣體抽出，能有效地使最終孔洞減到最小。

為此焊接時(shí)應(yīng)盡可能采用高的真空進(jìn)行焊接，本文采用的是SST3150高真空焊接爐，其極限真空在5×10－8Torr，考慮到焊接的效率，選擇的真空比其極限真空度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，即5×10－7Torr。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)過程

根據(jù)上述的分析及設(shè)計(jì)，采用了如下焊接方式，焊接了陶瓷、可伐蓋板與紅外窗口的焊接試驗(yàn)，其焊接如下：

1）焊料片清洗條件：①甲酸100℃煮10min；②純水沖洗15min；③無水乙醇脫水吹干。

2）焊接溫度曲線，見圖4。

3）焊接真空度：（9～5）×10－7Torr。

采用上述焊接后的窗口部件見圖5。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

評(píng)價(jià)焊接后窗口部件的強(qiáng)度和可靠性，目前主要是通過檢測(cè)器焊接強(qiáng)度、孔洞率、漏率2個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)，為此對(duì)焊接后的窗口進(jìn)行了3個(gè)指標(biāo)的測(cè)試。

1）焊接強(qiáng)度

非制冷焦平面探測(cè)器部件焊接強(qiáng)度測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，目前的方法都是沿用IC封裝的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在半導(dǎo)體IC封裝中，經(jīng)常采用芯片剪切強(qiáng)度來表征芯片與基板之間的鍵合強(qiáng)度，它的測(cè)試方法是通過在芯片上施加平行于鍵合界面的剪切力，將芯片與基板分離，測(cè)出該剪切力的大小。為此焊接好的窗口部件也是采用剪切強(qiáng)度來評(píng)價(jià)其焊接強(qiáng)度，采用的測(cè)試設(shè)備為Royce650，測(cè)試曲線圖見圖6。

根據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-883G方法中芯片剪切強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求：鍵合面積小于10%時(shí)要求剪切強(qiáng)度大于20N。芯片片面積大于64×10－4in2，鍵合區(qū)域小于芯片面積的1/2時(shí)，要求剪切強(qiáng)度大于50N。而窗口焊接面積只有1/5，焊接后的強(qiáng)度大于50N即可。從圖6中可以看出其強(qiáng)度在55N左右，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)根據(jù)前期的振動(dòng)沖擊及溫度存儲(chǔ)等環(huán)境適應(yīng)性要求來看，其強(qiáng)度滿足目前非制冷焦平面探測(cè)器窗口封裝的使用要求。

2）孔洞率測(cè)試

孔洞率可以采用X-ray透視檢測(cè)和超聲掃描檢測(cè)這兩種無損檢測(cè)方法進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)有的條件，采用X-ray透視檢測(cè)，采用的X-ray檢測(cè)設(shè)備是Phoenxi microme1，檢測(cè)圖片如圖7所示。

從X-ray檢測(cè)結(jié)果看，焊接區(qū)域內(nèi)焊接完整，基本看不出孔洞，孔洞率小于1%，滿足目前的使用要求。

3）漏率測(cè)試

由于非制冷焦平面探測(cè)器的工作真空應(yīng)優(yōu)于5Pa，并且需要保持10年以上的真空度，其各個(gè)零部件的真空一般應(yīng)小于1×10－9Pa×m3/s[5]，為此采用安捷倫MD30對(duì)每個(gè)批次焊接好窗口部件進(jìn)行檢漏，焊接后的批次漏率均小于1×10－12Pa×m3/s，保證了探測(cè)器組件焊接后的氣密性及壽命要求。

圖5 焊接后的窗口部件示意圖

圖6 窗口部件焊接強(qiáng)度測(cè)試曲線

圖7 窗口部件X-ray圖片

3 結(jié)論

采用In70Pb30合金的非制冷焦平面探測(cè)器窗口低溫焊接工藝中，In70Pb30純度和清洗方法、焊接時(shí)的升溫速率、焊接溫度、真空度是影響其焊接質(zhì)量的重要因素，根據(jù)上述的試驗(yàn)分析，采用純度為99.9%的In70Pb30，用甲酸預(yù)處理后，采用圖4的焊接條件，焊接后焊接區(qū)域合金均勻、無縫隙、孔洞率少、剪切力高、氣密性好，能夠滿足非制冷焦平面的窗口封接的氣密性要求。

[1] 雷亞貴, 王戎瑞, 陳苗海. 國(guó)外非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)展[J]. 激光與紅外, 2007(9): 207-301.

LEI Yagui, WANG Rongrui, CHEN Miaohai. Development of Foreign Uncooled IRFPA Detectors[J]., 2007(9): 207-301.

[2] 張東梅, 丁桂莆, 汪紅. 基于Sn/Bi合金的低溫氣密性封裝工藝研究[J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào), 2006(6): 211-214.

ZHANG Dongmei, DING Guifu, WANG Hong. Low Temperature Hermetic Bonding Process based on Electrodeposited Sn/Bi Alloy[J]., 2006(6): 211-214.

[3] 張國(guó)偉, 包曄峰, 將永鋒, 等. 升溫速率對(duì)Al-Si-Cu基釬料在6063鋁合金表面潤(rùn)濕的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(S1): 73-76.

ZHANG Guowei, BAO Yefeng, JIANG Yongfeng, et al. Influence of Heating Rate on Wettability of Al-Si-Cu based Brazing Alloy on 6063 Aluminum[J]., 2010(S1): 73-76.

[4] 李孝軒, 胡永芳, 禹勝林, 等. 微波GaAs功率芯片的低空洞率真空焊接技術(shù)研究[J]. 電子與封裝, 2008, 8(6): 17-20.

LI Xiaoxuan, HU Yongfang, YU Shenglin, et al. Studies Low Voidage Vacuum Welding Technology of Micro-wave GaAs Power Chip [J]., 2008, 8(6): 17-20.

[5] 蒙高安, 劉燕. 非制冷紅外光電探測(cè)器真空封裝用金屬外殼設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電元件, 2012(10): 11-15.

MENG Gaoan, LIU Yan. Design of Metal Enclosure for Opto-electric Detector Vacuum Package[J]., 2012(10): 11-15.

Low Temperature Welding of Uncooled Focal Plane Detector Window Based on InPb Alloy

YUAN Jun1，GONG Yu2，F(xiàn)ENG Jiangmin1，YANG Xuan1，TAI Yunjian1，HE Wenjin1，ZHU Qin1，PU Chaoguang1，LI Bingzhe1

(1.,650223,; 2.,650041,)

The low temperature welding technology was studied by the use of the In70Pb30alloy with 99.9% purity as welding pieces, the influencing factors during welding were analyzed: the influence of welding pieces, heating rate, welding temperature, vacuum degree, the welding pieces were pretreated by the use of formic acid to remove oxide layer, the welding was operated at 215℃, 5×10-7torr under the condition of vacuum, the samples of after welding were characterized by X-ray, pull test system, leakage detector to test the holes, the welding strength, the leakage rate of the samples, the results indicate that: the good homogeneity of alloy, seamless, less holes, high shear force and good air tightness in welding area after welding, those good properties make the samples satisfy the need of the air tightness of the window sealing of uncooled focal plane.

InPb solder，uncooled focal plane detector，detector window，low temperature welding

TN215

A

1001-8891(2017)07-0659-05

2017-01-17；

2017-07-03.

袁?。?980—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：紅外探測(cè)器研制、非制冷探測(cè)器封裝。