片式微波組件激光軟釬焊氣密封裝技術(shù)研究*

夏海洋，郝新鋒，吳 磊，崔 凱，紀(jì) 樂

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

有源天線陣面微波組件的構(gòu)型正從傳統(tǒng)的二維磚塊式多芯片組件向三維集成的片式微波組件方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的二維磚塊式微波組件的密封主要以激光熔焊技術(shù)為主，軟釬焊技術(shù)為輔[2]，但激光熔焊和軟釬焊封焊技術(shù)已難以完全滿足三維集成片式微波組件的密封需求。三維片式微波組件為了提高集成度和散熱性能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，材料匹配性差，采用激光熔焊密封易導(dǎo)致組件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力，特別是要求多個腔體密封的組件，激光熔焊導(dǎo)致的應(yīng)力問題特別嚴(yán)重[3]。若采用傳統(tǒng)軟釬焊工藝密封三維片式組件，會增加片式組件組裝的溫度梯度設(shè)計難度。另外，密封一般是組件組裝的最后一道工序，使用的軟釬料的熔點也最低，會限制組件整體的耐溫能力和密封強(qiáng)度，降低組件的可靠性。

激光軟釬焊氣密封裝是利用激光作為熱源加熱軟釬料使之熔化潤濕組件殼體和蓋板從而形成密封焊縫的技術(shù)[4]。該技術(shù)由于不直接熔化殼體和蓋板材料，相比激光熔焊，其引起的組件結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，同時，激光直接作用于軟釬料，不用整體加熱組件，不受組件組裝溫度梯度的限制，可以使用高于組件組裝焊料熔點的軟釬料，相比傳統(tǒng)軟釬焊技術(shù)，不會限制組件整體耐溫能力和密封強(qiáng)度[5]。因此，激光軟釬焊技術(shù)非常適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料匹配性較差的高集成三維片式微波組件的氣密封裝。

本文選用表面鍍Ni/Au的50%Si/Al作為殼體材料，表面鍍Ni/Au的TC4鈦合金作為蓋板材料。軟釬料選用直徑為0.4 mm的Sn63Pb37焊絲，焊絲預(yù)先置于殼體與蓋板之間的凹槽內(nèi)。焊絲預(yù)置好后，將樣品固定到充氮氣的手套箱內(nèi)的預(yù)熱臺上。利用系統(tǒng)軟件編寫激光工件相對運動軌跡，設(shè)定激光功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)。運行設(shè)備，完成激光釬焊試驗。本試驗采用定制的深圳普德激光公司的激光釬焊封裝設(shè)備，整個設(shè)備置于充氮氣的手套箱內(nèi)，激光光源為德國LIMO公司808 nm波長的光纖耦合半導(dǎo)體激光器，最大激光輸出功率為400 W。半導(dǎo)體激光器出光連續(xù)，波長短，效率高，光斑集中，釬料吸收好，相比其他類型的激光器，非常適合用于軟釬焊[6]。特別是808 nm波長的半導(dǎo)體激光器，相比915 nm及980 nm等波長的半導(dǎo)體激光器，金屬材料尤其是錫基釬料對其吸收率較高，焊接特性優(yōu)良。本文優(yōu)化了影響焊縫成形的激光軟釬焊工藝參數(shù)，分析了激光軟釬焊密封接頭微觀組織，驗證了激光軟釬焊密封微波組件的氣密性。

1 組件激光軟釬焊氣密封裝工藝參數(shù)優(yōu)化

能有效影響激光軟釬焊焊縫成形的因素主要有焊接結(jié)構(gòu)、熱臺溫度、助焊劑、激光功率、離焦量和焊接速度。激光軟釬焊焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)同時考慮焊接強(qiáng)度和氣密性，并方便焊絲或焊條的預(yù)置。圖1是本試驗采用的焊接結(jié)構(gòu)，殼體及蓋板均開一定角度的坡口，以方便預(yù)置釬料并增加釬焊面積，殼體與蓋板臺階匹配構(gòu)成橫向和豎向焊縫，既增加釬焊面積又有利于氣密，殼體和蓋板的鍍Au層厚度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)以抑制粗大脆性的金錫金屬間化合物的形成。熱臺的作用是給組件一定的預(yù)熱溫度，增加釬料對殼體和蓋板的潤濕性，降低激光功率。熱臺溫度應(yīng)低于組件組裝所用各種釬料的熔點。軟釬料預(yù)置到焊縫后，可以涂刷少量的免清洗助焊劑以提高釬料熔化后的潤濕性和流動性，但助焊劑的用量應(yīng)盡可能少。激光功率、離焦量和焊接速度這3個因素并非相互獨立，它們存在交互作用，激光功率的增大和減小、離焦量的減小或增大以及焊接速度的增大或減小，都會導(dǎo)致輸入釬料的瞬時熱流密度的增大或減小。本試驗優(yōu)化的激光功率范圍為30～40W，離焦量為1～2mm，焊接速度為3～5 mm/s。圖2是采用優(yōu)化的工藝參數(shù)激光軟釬焊密封的微波組件樣件外觀形貌。

圖1 組件激光軟釬焊密封結(jié)構(gòu)

圖2 激光軟釬焊密封的微波組件樣件

需要特別指出的是，激光軟釬焊封蓋過程是一個溫度場不斷變化的動態(tài)過程，因此激光軟釬焊工藝參數(shù)，特別是激光功率和焊接速度這2個參數(shù)也應(yīng)通過程序設(shè)計動態(tài)調(diào)節(jié)。若不動態(tài)調(diào)節(jié)激光功率和焊接速度，容易導(dǎo)致焊接后半段輸入釬料的熱量過大而引起釬料表面過燒，如圖3所示。

圖3 表面燒蝕激光軟釬焊縫

2 組件激光軟釬焊密封接頭微觀組織觀察

圖4(a)和圖4(b)分別為焊接速度為2mm/s和3 mm/s時組件殼體與蓋板激光釬焊密封接頭橫截面的光鏡照片。由圖4可知，釬料可完全填充殼體與蓋板之間形成的間隙，釬料與殼體和蓋板均潤濕良好，釬料中無空洞和裂紋，同時，釬料未溢流到殼體內(nèi)部。

圖4 組件殼體與蓋板激光纖焊密封接頭橫截面光鏡照

圖5焊接速度為2 mm/s時組件殼體與蓋板激光軟釬焊密封接頭上部橫截面的掃描電鏡照片，表1是圖5各標(biāo)號所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量百分比)。由圖5和表1可知，殼體與蓋板表面的鍍Au層已基本完全溶解于SnPb釬料中，釬料與鍍Ni層接觸并潤濕良好，在釬料與殼體和蓋板界面沒有形成粗大脆性的金錫金屬間化合物，釬料基本保持(Sn)+(Pb)共晶組織狀態(tài)。

圖5 殼體與蓋板激光釬焊密封接頭上部橫截面掃描電鏡照

表1 圖5各標(biāo)號所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量百分比)

圖6焊接速度為2 mm/s時組件殼體與蓋板激光軟釬焊密封接頭下部橫截面的掃描電鏡照片，表2是圖6各標(biāo)號所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(原子百分比)。由圖6和表2可知，殼體鍍Ni-P層與SnPb釬料之間形成了厚度分別為0.3 μm和2 μm的均勻連續(xù)金屬間化合物層，經(jīng)分析這兩層金屬間化合物分別為AuSn和AuSn2。由于生成的金屬間化合物厚度較薄且均勻連續(xù)，沒有粗大的扇貝狀或針狀金屬間化合物生成，因此接頭界面微觀組織有利于焊縫的力學(xué)性能和氣密性。圖5與圖6接頭界面微觀組織細(xì)微差異的主要原因可能是上部釬料充足且熔化時間長，Au原子大量溶解于釬料中，而下部釬料量少且呈熔融態(tài)的時間短，Au原子未完全擴(kuò)散進(jìn)釬料而在界面形成薄層金屬間化合物。

表2 圖6各標(biāo)號所示區(qū)域的能譜成分分析結(jié)果(原子百分比)

圖6 殼體與蓋板激光釬焊密封接頭下部橫截面掃描電鏡照

3 組件激光軟釬焊封裝氣密性驗證

根據(jù)GJB 548B—2005 《微電子器件試驗方法及程序》中1014.2方法進(jìn)行激光軟釬焊密封組件的泄漏率檢測，組件分為剛激光軟釬焊密封后和50次溫度循環(huán)試驗后2種狀態(tài)。溫度循環(huán)試驗條件為-55 ℃～70 ℃，溫度變化速率為15℃/min，低溫和高溫保溫時間均為0.5 h。表3為組件泄漏率測試結(jié)果，由表3可知，組件泄漏率穩(wěn)定在10-10Pa·m3/s量級，滿足機(jī)載有源天線陣面對片式組件泄漏率的要求。

表3 激光軟釬焊密封組件泄漏率

4 結(jié)束語

本文對片式微波組件激光軟釬焊氣密封裝工藝進(jìn)行了研究，通過對影響焊縫成形的焊接結(jié)構(gòu)、熱臺溫度、助焊劑、離焦量、激光功率、焊接速度進(jìn)行優(yōu)化，獲得了較佳的激光軟釬焊氣密封裝工藝參數(shù)窗口。通過分析激光軟釬焊密封接頭微觀組織可知，釬料完全填滿了殼體與蓋板之間形成的間隙，釬料中無空洞和裂紋，釬料也沒有溢流到殼體內(nèi)部。釬料與鍍Ni層接觸并潤濕良好，在釬料與殼體和蓋板界面沒有形成粗大脆性的金錫金屬間化合物。接頭上部釬料基本保持(Sn)+(Pb)共晶組織狀態(tài)，接頭下部鍍Ni層與釬料之間形成薄且均勻連續(xù)的金屬間化合物層AuSn和AuSn2。氣密性檢測表明激光軟釬焊密封滿足機(jī)載有源天線陣面對片式組件泄漏率的要求。為了進(jìn)一步驗證激光釬焊氣密封裝技術(shù)的可靠性，后續(xù)還將對激光釬焊密封組件進(jìn)行低氣壓、振動、鹽霧等考核。同時，還將開展不同焊接結(jié)構(gòu)、不同殼體蓋板材料組合、不同釬料的激光釬焊氣密封裝試驗，拓展激光釬焊氣密封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍。