光學(xué)窗口真空釬焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

沈 練，陳正超，任 海，楊正江，楊 昆，何 胤，胡忠貴

光學(xué)窗口真空釬焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

沈 練，陳正超，任 海，楊正江，楊 昆，何 胤，胡忠貴

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

光學(xué)窗口作為半導(dǎo)體光電器件封裝中的關(guān)鍵外殼構(gòu)件之一，為光電器件提供了必不可少的光學(xué)信號透過路徑，該結(jié)構(gòu)的封接質(zhì)量會對器件的長期壽命產(chǎn)生重要影響。真空釬焊技術(shù)是以釬料作為填充材料，并在真空環(huán)境下將窗座與光窗片釬焊獲得永久氣密性連接的過程，是實現(xiàn)光學(xué)窗口封接的主要技術(shù)之一，其具有封接溫度低、氣密性高、平面度好以及可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件真空氣密性封裝及光學(xué)設(shè)備制造等領(lǐng)域。文中從釬料類型、金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計、釬焊設(shè)備、焊接空洞率、氣密性以及力學(xué)性能測試等方面對光學(xué)窗口真空釬焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并指出在此領(lǐng)域內(nèi)未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

光學(xué)窗口；封接；真空釬焊

0 引言

微光機電系統(tǒng)（MOEMS）以MEMS為基礎(chǔ)，通過對多種結(jié)構(gòu)精密且用途各異的微型元器件進(jìn)行集成而實現(xiàn)光開關(guān)、掃描和成像等用途。為了滿足MOEMS器件對自身結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的要求，需要依靠MOEMS封裝提供必要的保護(hù)和隔離，使其具備氣密性良好及可靠性高等特點[1]，最終確保器件的正常工作。隨著MOEMS技術(shù)在自然科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，人們對微光機電系統(tǒng)器件封裝技術(shù)可靠性提出了更高的要求。

半導(dǎo)體光電器件本質(zhì)是一種微光機電系統(tǒng)器件，故其封裝技術(shù)也成為了光電器件制造技術(shù)的關(guān)鍵。光學(xué)窗口（以下簡稱光窗）作為半導(dǎo)體光電器件封裝中的關(guān)鍵外殼構(gòu)件之一，為光電器件提供了必不可少的光學(xué)信號透過路徑。為了滿足光電器件功能上的要求，通常需要進(jìn)行氣密性封接，甚至要求封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部為真空環(huán)境，因此該結(jié)構(gòu)的封接質(zhì)量會對器件的長期壽命產(chǎn)生重要影響。本文主要對光學(xué)窗口真空釬焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并指出了未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 光窗真空釬焊概述

真空釬焊是實現(xiàn)異種材料連接的常用方法，在真空環(huán)境下，采用比母材熔點更低的金屬材料作為釬料，將溫度升高至介于母材與釬料的熔點之間，利用釬料熔化后在兩者的接觸面上進(jìn)行潤濕、毛細(xì)流動、填充、鋪展，并與母材相互作用（溶解、擴(kuò)散或產(chǎn)生金屬間化合物），最終冷凝形成牢固的接頭[2]。真空釬焊原理示意圖如圖1所示。

光窗制備真空釬焊工藝的一般過程[3]：①在金屬窗座待焊面處分別電鍍鎳層和金層，在防止氧化的同時確保焊接時焊料在表面的潤濕；②用真空蒸鍍或磁控濺射的方法在光窗片待焊表面沉積形成金屬化層；③將預(yù)制成型的焊環(huán)、光窗片和窗座進(jìn)行裝夾（如圖2所示）；④在真空共晶回流焊設(shè)備中進(jìn)行釬焊。

圖2 光窗制備真空釬焊工藝裝配示意圖

傳統(tǒng)的低溫有機膠粘接方法雖然工藝操作簡單，但其耐受溫度較低，容易導(dǎo)致密封失效；同時，對于真空器件難以長期保持所需真空度[4]。而高溫封接和高頻封接兩種常見封接方法雖然具有定位準(zhǔn)確、焊接效率高及成本低等優(yōu)點，但易對光窗表面造成損傷并引起應(yīng)力集中與熱應(yīng)力殘留，導(dǎo)致制備合格率較低。真空釬焊是光窗封接方法中抵抗外力強度較好的一種，在封接溫度可選范圍、封接氣密性、光窗面形控制以及長期壽命等方面均有較大優(yōu)勢。

通過對比上述3種光窗封接工藝的封接情況（如表1所示），相較于其余兩種封接形式，在同等外力作用下，真空釬焊封接的應(yīng)力集中最小，其抵抗外力的效果要好于另外兩者[5]。由于依靠釬料熔化完成連接，可使得光窗形變小，面形控制較好；同時釬料良好的吸震效果，抵抗外力效果較好。對常見光窗封接方法的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，如表2所示。

表1 3種光窗封接工藝的應(yīng)力及形變結(jié)果對比

2 釬料類型

釬料作為填充材料，在釬焊時，通過釬料熔化對釬焊接頭進(jìn)行浸潤和鋪展，再與母材發(fā)生相互作用，最終實現(xiàn)永久可靠性連接。因此，對釬料的選擇至關(guān)重要。光窗制備真空釬焊工藝過程中，對釬料類型的選擇需要重點考慮兩方面內(nèi)容：①光窗片增透膜的耐受溫度；②選用適宜的無鉛焊料滿足封接要求。

制造光窗片的常用材料包括藍(lán)寶石、硅、鍺及鋅硒化合物等，通常需要在表面鍍制一層增透膜以提高某些波段光線的透過率，而釬料類型的選擇往往會受鍍制膜層耐受溫度的影響。依據(jù)膜系設(shè)計的不同，光窗增透膜的耐受溫度通常在250℃～300℃，考慮到溫度波動范圍帶來的影響以及滿足合理的釬焊參數(shù)設(shè)定，釬料的選擇類型應(yīng)以Sn基合金為主，熔點溫度180℃～250℃，這樣在保證增透膜正常工作的同時提高封接的可靠性。

隨著綠色制造在全球范圍內(nèi)的掀起，為了減少鉛污染對環(huán)境造成的影響，低鉛甚至無鉛焊料成為了電子制造業(yè)的主流選擇。因此需要考慮在滿足封接要求的前提下，以新型無鉛焊料代替?zhèn)鹘y(tǒng)錫鉛合金?；赟n-Pb共晶合金，采用另一種組元取代其中的Pb元素的設(shè)計思路，從而獲得一種可滿足封接要求的新型無鉛焊料。從冶金學(xué)角度考慮，在Sn基合金中加入例如Ag、Cu、Zn和Bi等元素能夠有效降低Sn熔點（如圖3所示）[6]，同時可制備出滿足封接所需的Sn基合金。目前，在無鉛焊料體系中，Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn以及它們的系列衍生物都成為了替代選擇[7]。

表2 常見光窗封接方法優(yōu)缺點對比

圖3 添加元素在200℃～230℃使Sn熔點下降的估計值

Sn-Ag系中的共晶合金Sn96.5Ag3.5是電子封裝中較為常用的無鉛焊料，其在抗拉強度和疲勞特性等力學(xué)性能方面都要優(yōu)于Sn-Pb共晶合金，但由于Ag的表面張力數(shù)值較大，并且易在釬焊過程中發(fā)生Ag離子遷移現(xiàn)象，致使其潤濕性較差且熔點達(dá)到了221℃，應(yīng)用范圍受到一定限制；Sn-Ag-Cu三元合金是在Sn-Ag二元合金的基礎(chǔ)上衍生出的一種適應(yīng)性很強的無鉛焊料，通過添加少量Cu元素替代原有的Ag元素，在保證性能不變的同時，可有效減少對銅基底的熔蝕，并使熔點降低至217℃，增加了其使用范圍，因此Sn96.5Ag3Cu0.5在亞洲地區(qū)最受歡迎，并且在日本市場應(yīng)用較多。

Sn-Cu系合金從應(yīng)用成本來看具有較強的優(yōu)越性，但在不使用助焊劑，其潤濕性能較差，這就限制了其使用范圍，必須通過添加少量的Ni、Co等元素提高其機械性能和潤濕性能。而Sn-Zn系合金，由于Zn的反應(yīng)性較強，長期存放過程中表面容易生成氧化層而致使?jié)櫇裥越档汀?/p>

值得一提的是，在Sn基合金中加入Au元素而獲得的Au-Sn合金是一種綜合性能較為優(yōu)異的焊料。其典型的共晶合金AuSn20具有強度高、抗氧化性好、耐腐蝕性好以及浸潤和流淌性好等諸多特點，是一種除Sn-Pb合金外較為理想的無鉛焊料。但是其熔點為280℃，也正是因為此點，導(dǎo)致在許多更低的溫度范圍內(nèi)無法使用。而對于一些光窗增透膜的耐受溫度可高于300℃時，Au-Sn合金應(yīng)為最佳選擇。

對用于真空回流焊的5種主要無鉛焊料合金的工藝能力進(jìn)行評價，包括對保存壽命、使用溫度、成球性、潤濕性及接頭外觀等5個方面的性能[6-7]進(jìn)行了打分，滿分為30分，并設(shè)置了Sn-Pb共晶焊料對比項。其中保存壽命和使用溫度分別反映了焊料存儲特性和使用范圍，而成球性、潤濕性及接頭外觀則主要體現(xiàn)了焊料合金的釬焊能力，對于焊點或焊縫的質(zhì)量、完整性以及良率等有至關(guān)重要的影響[6]，這也是評價的關(guān)鍵因素。

對比項Sn63Pb37綜合5個方面的性能，兼容性最好，獲得了27.1的評分。Sn96.5Ag3.8Cu0.7、Sn42Bi58以及Sn99.3Cu0.7此3種合金的性能彼此相當(dāng)，各具優(yōu)缺點。其中，Sn96.5Ag3Cu0.5適應(yīng)性強及應(yīng)用范圍廣，綜合得分三者中最高；Sn99.3Cu0.7在不使用助焊劑時潤濕性較差，使其應(yīng)用范圍受限；Sn42Bi58成球性能較差，但焊料外觀優(yōu)異。Sn96.5Ag3.5焊料成球性及潤濕性較差，評分為17.1；Sn89Zn8Bi3受Zn元素反應(yīng)活性高的影響，導(dǎo)致金屬容易過度氧化且各項性能方面明顯差于其他合金體系，故評分最低。

最終評分結(jié)果如圖4所示。

圖4 焊料合金與真空回流焊的兼容性對比

3 金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于光窗片材料存在穩(wěn)定的鍵價結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行光窗片與金屬窗座釬焊時，液態(tài)釬料很難浸潤光窗片表面，實現(xiàn)可靠性焊接。通常需要對光窗片的待焊面進(jìn)行金屬化工藝（即在待焊面采用物理氣相沉積方式沉積金屬薄膜），最終達(dá)到工件的氣密性封接。

3.1 光窗片金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計

光窗片的金屬化層通常設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)，自內(nèi)而外依次是黏附層、阻擋層和焊接層[8]，如圖5所示。黏附層可以作為附著力較差的其他鍍膜材料的附著劑，通常選擇Cr或Ti等元素，其對各種材料的附著力都較好，特別是對玻璃或陶瓷等基片的附著力比其他金屬鍍膜材料都好；阻擋層可以有效阻止焊接層元素向下發(fā)生過多擴(kuò)散，造成熔蝕現(xiàn)象發(fā)生，通常選擇Ni或Pt等元素，其對各種腐蝕都有相當(dāng)好的抵抗能力。另外，Ni的沉積薄膜可使其他材料表面具有所期望的抗腐蝕性；焊接層用于焊接，與焊料之間浸潤與鋪展，最終形成牢固的釬焊接頭，通常選擇Au或Ag等元素。

圖5 光窗片金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

一般采用蒸發(fā)或磁控濺射的方式獲得Cr-Ni-Au或Cr-Au等復(fù)合膜層（Cr或Ni-Cr合金容易氧化而與光窗表面形成化學(xué)鍵，同時易與Au互擴(kuò)散并結(jié)合良好），既可以保證膜層間的可靠結(jié)合力，又能形成良好的熱應(yīng)力過渡[8]。

3.2 金屬窗座金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計

金屬窗座的金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計歸納起來主要包括3類：①采用焊料預(yù)熔形式，通過火焰烙鐵或電烙鐵將熔融狀態(tài)的焊料涂覆于金屬窗座待焊接面。該方法成本較低，無需對金屬窗座進(jìn)行鍍鎳和鍍金處理，也無需定制預(yù)制成型的焊料片，工藝效率依靠操作者的熟練度，但需要使用助焊劑去除氧化層，預(yù)熔后需要清潔殘留助焊劑；②采用預(yù)制成型焊料片＋鍍金金屬窗座的形式，該方法是目前較為常用的方法，操作簡便，無助焊劑引入，焊接空洞率低，但準(zhǔn)備周期較長，且成本較高；③金屬窗座待焊接面采用與光窗類似的蒸發(fā)或濺射復(fù)合膜層的形式，可靠性較高，但操作繁瑣，成本高，且暫時無法量產(chǎn)，目前僅適用于科研實驗。

4 釬焊設(shè)備

傳統(tǒng)的真空回流焊設(shè)備功能較為單一，除了在焊接過程中提供必要的真空環(huán)境外，其他部分不能完全防止氧化或提供有效的防氧化措施，會對焊料潤濕性、焊接空洞率和氣密性以及長期壽命等造成重要影響。因此，人們對真空回流焊設(shè)備的發(fā)展也越來越關(guān)注。

真空可控氣氛共晶爐（如圖6所示）是目前國際上較為主流的光窗真空釬焊設(shè)備，在電子封裝行業(yè)應(yīng)用廣泛[9]。該設(shè)備利用共晶、亞共晶或過共晶合金焊料的特性來完成焊接工藝，無需使用助焊劑，同時借助高真空環(huán)境或氮氣氣氛、還原性氣氛的作用，達(dá)到減少氧化或提供有效防氧化措施的目的，最終實現(xiàn)光窗制備的良好潤濕性、低空洞率、高氣密性和高可靠性等。

圖6 SKD-V43型真空可控氣氛共晶焊爐

真空可控氣氛共晶爐的主要功能包括以下方面：

1）高真空降低焊接空洞

在真空環(huán)境下，由于內(nèi)外壓差的存在，熔融焊料中夾雜的氣體會以氣泡形式存在，并與其他氣泡發(fā)生融合增大體積；當(dāng)氣泡體積增大到一定程度時，便能提供其溢出所需的浮力，最終到達(dá)熔融焊料表面并排出[10]。

2）氮氣氣氛改善焊料的浸潤和鋪展能力

腔體在抽真空之后充入氮氣氣氛，可有效降低釬料的表面張力（如圖7所示），減少潤濕時間（如圖8所示）[2]，提高熔融焊料浸潤和鋪展，有助于氣體的排出，同時氮氣的加入可排出空氣中的O2至100ppm以下保證無氧化的可能。

圖7 空氣和氮氣下液態(tài)釬料表面張力

圖8 空氣和氮氣下潤濕時間與溫度的關(guān)系

3）還原性氣氛還原金屬氧化物

當(dāng)選擇不含助焊劑的釬料時，就需要增加還原性氣氛的使用。還原性氣氛可以提高釬料的濕潤性，從另外一方面降低焊接空洞率。其作用原理是利用氣氛的還原特性，將生成的金屬氧化物還原至金屬狀態(tài)，并為后續(xù)的浸潤和鋪展做準(zhǔn)備。例如以HCOOH（甲酸）作為還原氣氛，在200℃以下，則發(fā)生以下反應(yīng)：HCOOH（甲酸）＋XO2（金屬氧化物）=XCOOH（甲酸鹽）＋H2O。通常HCOOH甲酸氣氛適用于軟釬料，而氫氣氣氛適用于硬釬料。

5 焊接空洞

焊接空洞是焊點或焊接面在X光機無損檢測下觀察到的缺陷，通常也定義為“空穴”或“孔洞”等?？斩吹漠a(chǎn)生會嚴(yán)重的降低焊點強度，并隨著時間的推移，在后期的使用過程中被緩慢侵蝕氧化，逐步形成氣體滲漏通道，導(dǎo)致密封或真空失效的情況發(fā)生，最終影響產(chǎn)品的可靠性。因此，空洞問題成為光窗制備真空釬焊過程中的關(guān)注重點之一。

總結(jié)國內(nèi)外對焊接空洞形成原因的研究，主要包括以下方面：①由于助焊劑或有機物等釋放的氣體陷于熔融釬料中而無法有效排出，最終形成空洞；②由于焊料在與基體金屬潤濕過程中浸潤不完全而殘留在表面一層很薄的覆蓋區(qū)域或直接無焊料覆蓋，該情況反復(fù)發(fā)生就會導(dǎo)致間斷的極少或無焊料區(qū)域出現(xiàn)，從而產(chǎn)生空洞，該現(xiàn)象也稱為反潤濕現(xiàn)象。③在特殊界面（諸如Sn-Ag/Cu界面）上，由于不同金屬元素的擴(kuò)散速率差異導(dǎo)致擴(kuò)散通量不相等，最終產(chǎn)生的亞微米級尺寸空洞（又稱為柯肯達(dá)爾空洞[11]）。

柯肯達(dá)爾空洞由于尺寸微小無法通過X光機無損檢測觀察到，因此光窗制備真空釬焊過程出現(xiàn)的焊接空洞不是此種類型；而由反潤濕現(xiàn)象引起的焊接空洞可以通過合理的光窗金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計避免；因此，需要重點關(guān)注的是上述第一種空洞類型，由于大量放氣物質(zhì)引起（如圖9所示）[12]。對于降低空洞率的方法，通常要結(jié)合釬料類型、釬焊設(shè)備（包括了焊接參數(shù)設(shè)定）以及合理的金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面考慮，關(guān)鍵要達(dá)到以下三點：①減少焊料的氧化；②減少氣體產(chǎn)生；③使得產(chǎn)生的氣體更容易排出[10]。

圖9 使用助焊劑引起的焊接空洞（圖中白色區(qū)域所示）

目前，焊接空洞的判定標(biāo)準(zhǔn)通常參照國軍標(biāo)GJB548B-2005[13]中的規(guī)定，在保證焊接強度和氣密性的同時，對空洞的累計有效面積要求不能超過待焊接面的10%，封接區(qū)的封接寬度或徑向距離應(yīng)不大于實際要求的50%。

6 氣密性和其他力學(xué)性能測試

氣密性檢測是判斷光窗封接工藝質(zhì)量的重要手段[14]，通常使用氦質(zhì)譜檢漏方式（常用噴氦或罩氦法）實現(xiàn)對氣密性封接的檢測。試驗條件參照GJB548B-2005[13]中1014.2密封A4的要求，完成示蹤氣體氦（He）檢漏，測量漏率應(yīng)≤1×10－10Pa×m3/s。而光窗常見的力學(xué)性能測試包括焊接界面的剪切強度測試以及抗沖擊能力測試等，通常參照GJB548B-2005中2019.2剪切強度的試驗方法和2002.1進(jìn)行機械沖擊試驗。

7 總結(jié)及展望

未來先進(jìn)光窗制備真空釬焊封裝工藝的發(fā)展趨勢，需要重點關(guān)注釬料、設(shè)備、金屬化以及空洞率和氣密性等方面，設(shè)計出溫度適應(yīng)范圍更廣、兼容性更好（包括潤濕特性、焊料外觀及焊料成球性）的無鉛焊料；研發(fā)出功能更加完善（包括多種加熱/冷卻方式、快速升溫/冷卻能力、控制精度及精確的氣氛流量控制等）的釬焊設(shè)備；研究出工藝更簡單、成本更低、制造周期更短及可靠性更高的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計；并對焊接空洞和焊接氣密性等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行控制，使得真空釬焊技術(shù)在光窗封接領(lǐng)域具有更高的應(yīng)用價值。

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Current Status of Vacuum Brazing Technology for Optical Windows

SHEN Lian，CHEN Zhengchao，REN Hai，YANG Zhengjiang，YANG Kun，HE Yin，HU Zhonggui

(,650223,)

As a key shell component of semiconductor optoelectronic device packages, optical windows provide an indispensable optical signal transmission channel for optoelectronic devices, and the sealing quality of the structure has a significant impact on the long-term life of the device. Vacuum brazing technology is the process of obtaining a hermetic optical window by welding a metal shell and metalized optical window with solder under a vacuum environment and is one of the main technologies used to seal optical windows. It has the advantages of low sealing temperature, high air-tightness, good flatness, and long-term reliability, and it is widely used in the fields of optical device vacuum hermetic packaging and optical equipment manufacturing. In this study, the research status of vacuum brazing technology for optical windows is introduced from the perspectives of filler metal type, metallization structure design, brazing equipment, welding void ratio, gas tightness, and mechanical properties, and the development trends of future technologies in this field are discussed.

optical window, sealing, vacuum brazing

TN305.94

A

1001-8891(2023)08-0808-06

2022-03-29；

2022-12-19.

沈練（1988-），男，高級工程師，主要從事半導(dǎo)體紅外光電子器件制備。E-mail：shenlian4432@163.com。