高溫銀焊絲的絕緣子燒結(jié)工藝研究

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 鄧小峰 游九洲

高溫銀焊絲絕緣子燒結(jié)工藝是一種采用銀基焊料在高溫烤箱(高溫?zé)Y(jié)爐)中完成絕緣子焊接的釬焊工藝，它是通過制作專用工裝夾具將預(yù)成型焊絲與絕緣子安裝并固定在可伐材料腔體或管殼上，再通過高溫烤箱（高溫?zé)Y(jié)爐）完成絕緣子燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)絕緣子的高可靠焊接，并達(dá)到氣密性封裝要求。

近年來，微波射頻領(lǐng)域產(chǎn)品包含的各種機(jī)載、艦載、車載等雷達(dá)和通訊系統(tǒng)，正在向小型化、輕質(zhì)化、高工作頻率、多功能和高可靠等方向迅速發(fā)展，促使高密度、小型化、多功能的微波/毫米波組件越來越多的被開發(fā)和運(yùn)用，因此客觀上對(duì)微波器件、微波組件的質(zhì)量與可靠性要求也越來越高。絕緣子由于其良好的高頻性能被用作微波器件、微波組件中的常用供電及信號(hào)傳輸器件，在安裝上目前的主要安裝方式有導(dǎo)電膠粘接和焊料燒結(jié)兩種裝配工藝。通常情況下，絕緣子采用導(dǎo)電膠粘接，由于達(dá)不到氣密封要求，故在有氣密要求的微波器件、微波組件封裝中不能使用，在航天電子產(chǎn)品中也被列為禁限用工藝。因此隨著高密度、小型化、多功能微波/毫米波組件的密封要求不斷提高，作為廣泛使用在微波組件上的供電及射頻連接器，采用高溫銀焊絲燒結(jié)的微組裝工藝技術(shù)，能夠充分保障其焊接的可靠性及密封性。

1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

通過該工藝的研究，可以掌握高溫銀焊絲絕緣子燒結(jié)工藝技術(shù)，豐富氣密封裝手段。

（1）掌握不同絕緣介質(zhì)材料（陶瓷粉/玻璃釉）對(duì)燒結(jié)溫度要求及相應(yīng)焊料體系的選?。?/p>

（2）掌握焊絲預(yù)成型制作工藝技術(shù)；

（3）掌握絕緣子高溫?zé)Y(jié)專用工裝夾具的設(shè)計(jì)制作；

（4）掌握高溫?zé)Y(jié)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)絕緣子燒結(jié)質(zhì)量的影響。

2 指標(biāo)及性能要求

（1）外觀要求

燒結(jié)后，在顯微鏡下（放大倍數(shù)40×）觀察腔壁內(nèi)外側(cè)的焊透率；觀察絕緣子焊縫處應(yīng)無明顯的氣孔、裂紋；焊料熔融狀態(tài)良好，焊料分布均勻。

（2）氣密性指標(biāo)

完成絕緣子燒結(jié)后的微波組件殼體的密封性能滿足GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中方法1014.2密封實(shí)驗(yàn)要求，封蓋前的組件殼體密封性即漏率≤1×10-3Pa.cm3/s。

3 技術(shù)方案

本項(xiàng)目的技術(shù)方案架構(gòu)及實(shí)施步驟如圖1所示。

圖1 技術(shù)方案架構(gòu)及實(shí)施步驟

3.1 管殼材料選擇

可伐（Kovar）合金為含鎳29%、鈷17%的硬玻璃鐵基封接合金，作為電子封裝行業(yè)中最常用的金屬外殼材料，具有與硬質(zhì)玻璃最為接近的線膨脹系數(shù)，與玻璃封接（熔封）過程中僅產(chǎn)生很小的封接應(yīng)力，從而能獲得良好的氣密性。4J29的可伐合金作為一種功能材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)（-80℃～450℃）內(nèi)膨脹系數(shù)與硬玻璃的膨脹系數(shù)相近，可以保證材料間的匹配封接，同時(shí)有較高的居里點(diǎn)以及良好的低溫組織穩(wěn)定性，合金的氧化膜致密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，因此被廣泛地應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)、T/R組件、放大器、微波組件、航天繼電器、電子管、晶體管和集成電路中作為外殼材料。本研究中采用（牌號(hào)4J29，YB/T5231-2014）可伐合金作為殼體材料如圖2所示，可伐合金特性見表1所示。

表1 4J29可伐合金的物理屬性和化學(xué)成分

圖2 可伐管殼

3.2 絕緣子絕緣材料及型號(hào)選擇

目前市面上的絕緣子，根據(jù)其內(nèi)部絕緣密封材料的不同分為兩種，一種為氧化鋁陶瓷，一種為玻璃釉，玻璃釉的玻璃轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)為580℃左右，因此可耐受500℃以下的焊接高溫，陶瓷材料熔點(diǎn)一般在1000℃以上，因此可耐受1000℃以下的焊接高溫。因此本研究項(xiàng)目根據(jù)不同絕緣密封材料，選擇具有典型結(jié)構(gòu)的絕緣子及SMP插座，進(jìn)行試驗(yàn)。型號(hào)、規(guī)格見表2所示，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 絕緣子型號(hào)及材料選擇

圖3 絕緣子、SMP插座結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 焊料體系選取

本研究項(xiàng)目根據(jù)可伐合金、鋁合金材料的耐受溫度、焊料的浸潤性、與可伐材料、鋁合金的熱脹系數(shù)差異性等各方面因素影響，并考慮不同絕緣密封材料的絕緣子耐受溫度、焊料的熔點(diǎn)溫度、各合金成分比例、合金材料的導(dǎo)熱率、蠕變性、工藝兼容性等因素，選擇熔點(diǎn)溫度為780℃的高溫銀基焊料Ag72Cu28作為可伐殼體與陶瓷絕緣介質(zhì)的絕緣子高溫焊接釬料。

銀基釬料是目前應(yīng)用最廣泛的硬釬料。其中Ag72Cu28共晶型合金釬料，不僅具有優(yōu)良的工藝性，如適宜的熔點(diǎn)、良好的潤濕、填縫能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、塑性好等，而且釬接質(zhì)量高，能夠形成強(qiáng)度高、導(dǎo)電性和耐腐蝕性優(yōu)良的釬焊接頭，作為填充材料廣泛應(yīng)用于電子器件的釬接，如釬焊低碳鋼、不銹鋼、高溫合金、銅及銅合金、可伐合金和難熔合金。只有選取合適的高溫銀焊絲，才能保證絕緣子燒結(jié)有效實(shí)施。銀焊絲物理特性及化學(xué)成分見表3所示，合金相圖見圖4所示。

表3 銀焊絲物理特性及化學(xué)成分

圖4 Ag-Cu二元合金相圖

3.4 絕緣子與微波組件殼體上安裝孔的尺寸配合選取

絕緣子在微波組件殼體上安裝孔內(nèi)安裝時(shí)，需嚴(yán)格設(shè)計(jì)絕緣子與安裝孔二者之間的縫隙大小：縫隙尺寸過大，焊料會(huì)填充不滿，易焊后產(chǎn)生孔隙、空洞，無法滿足氣密性要求；縫隙尺寸過小，焊絲裝填困難或熔融后溢出安裝孔會(huì)導(dǎo)致短路。故需綜合考慮銀基焊絲、金錫焊絲的裝填位置、孔深、縫隙大小、焊料熔融后流動(dòng)趨勢等因素。并且要保證焊絲的裝填間隙均勻、平整，否則會(huì)影響到焊絲熔融時(shí)的潤濕、鋪展一致性。因此，本研究項(xiàng)目中殼體上絕緣子安裝孔的尺寸配合設(shè)計(jì)如圖5所示，安裝孔尺寸參數(shù)選取見表4所示。

表4 絕緣子安裝孔尺寸設(shè)置

圖5 絕緣子安裝孔尺寸參數(shù)

3.5 殼體的鍍涂選擇

陶瓷密封材料的絕緣子和可伐合金殼體采用Ag72Cu28焊料高溫?zé)Y(jié)工藝，由于Ag72Cu28焊料熔點(diǎn)較高約為780℃，焊接時(shí)一般可伐合金殼體上的鍍層無法耐受這樣高的溫度，在此高溫下，鍍層金屬會(huì)汽化，但由于殼體后續(xù)需要鍍層進(jìn)行防護(hù)和焊接，因此本項(xiàng)目中對(duì)采用高溫?zé)Y(jié)工藝的可伐合金殼體，采用化學(xué)鍍鎳和鍍金兩種鍍涂方式，其中化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度為5μm，電鍍金厚度為2μm，具體實(shí)施在絕緣子和可伐殼體高溫?zé)Y(jié)完成后進(jìn)行相應(yīng)鍍涂。

3.6 絕緣子燒結(jié)專用工裝夾具設(shè)計(jì)

絕緣子高溫?zé)Y(jié)時(shí)需設(shè)計(jì)專用固定夾具對(duì)管殼、絕緣子進(jìn)行固定，如圖6所示。絕緣子的燒結(jié)夾持、固定夾具必須具有良好的定位精度，保證絕緣子裝入微波組件殼體安裝孔在整個(gè)燒結(jié)過程中位置居中、形位無偏差。

圖6 絕緣子燒結(jié)專用夾具示意圖

夾具材料選取要綜合考慮夾具的熱傳導(dǎo)性、熱均勻性、熱變形特性、易加工性、耐用性等因素。由于石墨是各向同性材料，其晶粒在所有方向上均勻、密集分布，因此具有優(yōu)良的快速導(dǎo)熱性能、熱均勻性好、熱變形小、易于加工和成分穩(wěn)定，耐保存等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目中專用夾具材料選擇導(dǎo)熱率、熱均勻性優(yōu)良的石墨材料，加工精度要求為±0.05mm，以保證絕緣子在燒結(jié)過程中夾具無形變，絕緣子位置居中，形位無偏移，縫隙內(nèi)的焊料填充均勻，從而保證絕緣子焊接強(qiáng)度和氣密性。

3.7 絕緣子燒結(jié)關(guān)鍵工藝參數(shù)研究

設(shè)置合理的溫度曲線是保證絕緣子可靠燒結(jié)的重要因素，溫度和時(shí)間是絕緣子高溫?zé)Y(jié)溫度曲線中最重要的工藝參數(shù)，因此需對(duì)各溫度區(qū)間的溫度、時(shí)間進(jìn)行研究，確保焊料的熔融和共晶析出。溫度曲線的具體設(shè)置與高溫?zé)Y(jié)設(shè)備、絕緣子種類、管殼材料、使用的焊料體系以及待焊產(chǎn)品的熱容量大小都有關(guān)系，因此燒結(jié)溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)需通過大量試驗(yàn)來確定最優(yōu)值。絕緣子高溫?zé)Y(jié)溫度曲主要包括預(yù)熱升溫和保溫區(qū)、焊接升溫與焊接區(qū)、冷卻區(qū)等，如圖7所示。

圖7 絕緣子高溫?zé)Y(jié)溫度曲線示意圖

玻珠高溫?zé)Y(jié)溫度曲線中的焊接溫度T2受加熱設(shè)備、熱傳遞效率、溫度誤差等影響，往往比焊料的共晶點(diǎn)溫度略低，實(shí)際設(shè)置的焊接溫度T2通常高于合金焊料熔點(diǎn)30℃～50℃。因此燒結(jié)溫度曲線上焊接溫度T2、焊接時(shí)間t5的確定，要根據(jù)加熱設(shè)備具體情況、高溫銀焊料的特點(diǎn)和微波組件殼體的熱容大小，進(jìn)行多次試驗(yàn)后，優(yōu)化得出。

3.8 返修

絕緣子燒結(jié)后涉及兩個(gè)級(jí)別的返修：①板級(jí)返修（或模塊級(jí)）；②組件級(jí)返修。

板級(jí)返修：采用絕緣子燒結(jié)的微波組件，與板級(jí)（模塊）連接固定的模式一般為螺釘固定組件到模塊腔體上，組件燒結(jié)的絕緣子與模塊內(nèi)印制板采用普通錫鉛焊接方式實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)。該級(jí)別的返修按常規(guī)返修模式，替換組件。

組件級(jí)返修：采用絕緣子燒結(jié)工藝的微波組件，已實(shí)施氣密封焊，后續(xù)組件內(nèi)部裸片、器件等出現(xiàn)問題，則無法對(duì)組件實(shí)施開蓋更換內(nèi)部器件的返修工作。

結(jié)束語：總而言之，在產(chǎn)品更高的可靠性驅(qū)使下，對(duì)電子封裝中工藝及材料的應(yīng)用將會(huì)不斷推陳出新。封裝質(zhì)量室封裝設(shè)計(jì)和制造中最重要的因素，采用高溫銀焊絲進(jìn)行的絕緣子以及類似于絕緣子的連接器件的燒結(jié)方式，將會(huì)大大提升其密封性、可靠性、穩(wěn)定性等要求。