小尺寸陶瓷封裝用熔覆金錫合金焊料蓋板可靠性驗(yàn)證

Reliability Verification of Cladding Gold-tin Alloy Solder Cover for Small-sized Ceramic Packagee

WANG Mingyang PENG Bo WEI Yujin SONG Yunhe （The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：Thepaperisbasedontheindependentlydevelopedcladdinggold-tinaloysoldercover，andanalyzesthereliability ofthecoverfromtheaspectsof theprocessing state，thegold totinratioofsolderforcladding，andtheoxidationdegreeof solderaftercladding.Thereliabilitytestsareconductedbysimulating theactualuse environmentofthe products.Meanwhile， it analyzes the microstructure of the cladding interface and the coating structure by scanning electron microscopy.

Keywords： cladding gold-tin alloy solder cover; reliability; microstructure

0 引言

微電子封裝中陶瓷外殼因其高可靠性的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各特殊領(lǐng)域，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)在單芯片高性能化封裝和多芯片高集成化封裝兩方面，由此導(dǎo)致了封裝外殼的逐步小型化。其中，蓋板作為封裝環(huán)節(jié)必不可少的一部分，為保證陶瓷外殼的高可靠性需求，多采用鍍金蓋板和金錫焊料進(jìn)行密封。

常規(guī)尺寸（ 5.00mm×5.00mm 以上）的蓋板、焊料一體化技術(shù)基本采用焊料點(diǎn)焊方式。隨著封裝器件的小型化、高集成化，受點(diǎn)焊機(jī)槍頭尺寸和點(diǎn)焊對(duì)位精度的限制，常規(guī)點(diǎn)焊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)微小焊點(diǎn)的點(diǎn)焊，且點(diǎn)焊時(shí)焊料與蓋板的對(duì)位偏差難以把控。熔覆焊料技術(shù)相較于常規(guī)點(diǎn)焊技術(shù)，不受點(diǎn)焊設(shè)備的限制，只要制作出尺寸合適的焊料，再采用熔覆工藝，將焊料提前半熔固化在蓋板上，就可實(shí)現(xiàn)蓋板、焊料的一體化制作，擁有廣闊的發(fā)展

前景。

本文基于自主研發(fā)的小尺寸熔覆金錫合金焊料蓋板（簡(jiǎn)稱(chēng)“熔覆蓋板”），從產(chǎn)品加工狀態(tài)、熔覆用焊料金錫比例、熔覆后焊料氧化程度3方面對(duì)自主研發(fā)的熔覆蓋板的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用掃描電鏡從微觀上對(duì)熔覆后焊料與蓋板熔覆界面的金錫比例變化情況、鍍層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，為熔覆蓋板的生產(chǎn)及封裝提供一定思路。

1熔覆蓋板可靠性研究

本文以自主研發(fā)的A型熔覆蓋板（20號(hào) （2.69mm×2.29mm） 及其配套的LCC外殼（如圖1所示）為例，對(duì)熔覆蓋板封裝可靠性進(jìn)行驗(yàn)證研究。

1.1熔覆蓋板加工狀態(tài)

熔覆蓋板中，主要使用可伐合金材質(zhì)的金屬蓋板作為鍍金用蓋板，低磁蓋板等特殊領(lǐng)域也會(huì)使用鉬銅合金或純鉬等材質(zhì)加工蓋板。其中，可伐合金材質(zhì)較軟，批產(chǎn)時(shí)多采用沖制工藝和線切割工藝進(jìn)行加工，鉬銅合金或純鉬材質(zhì)較硬，基本采用線切割工藝加工。根據(jù)兩種工藝的工藝特點(diǎn)，加工后蓋板兩面呈現(xiàn)兩種狀態(tài)：沖制工藝加工的蓋板邊緣有一定弧度，線切割蓋板邊緣基本為直角（如圖2所示）。

在熔覆工藝階段，金錫焊料片會(huì)經(jīng)歷先熔化再凝固的過(guò)程，此階段焊料會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散延展現(xiàn)象，因此熔覆蓋板使用的焊料片厚度會(huì)相對(duì)更?。ǔＲ?guī)的分體金錫封口焊料厚度為 0.05mm ），從而避免熔覆工藝階段焊料擴(kuò)散延展尺寸過(guò)大。這同樣會(huì)造成焊料量的減少，進(jìn)而在密封后呈現(xiàn)封口區(qū)焊料包角不連續(xù)的現(xiàn)象。沖制工藝加工的蓋板與陶瓷外殼貼合時(shí)，密封界面處蓋板邊緣的圓弧角需要更多的焊料進(jìn)行填充，更易出現(xiàn)焊料包角不連續(xù)的問(wèn)題（如圖3所示）。

為驗(yàn)證此現(xiàn)象，分別將沖制工藝和線切割工藝加工的蓋板進(jìn)行密封，設(shè)計(jì)如表1所示兩組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，蓋板邊緣處為圓弧角，可能會(huì)導(dǎo)致封口區(qū)焊料包角不連續(xù)的情況，會(huì)增大密封漏氣的風(fēng)險(xiǎn)；蓋板邊緣處為直角，有利于防止封口區(qū)焊料包角斷點(diǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2熔覆用焊料金錫比例

當(dāng)Au和Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 80% 和 20% 時(shí)，金錫合金焊料的熔點(diǎn)最低， 278°C 下即可發(fā)生共晶反應(yīng)。這種焊料導(dǎo)熱率和剪切強(qiáng)度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料；又以其較高的穩(wěn)定性、耐腐蝕性和潤(rùn)濕性，在高可靠氣密封裝中應(yīng)用廣泛[-3]。有研究表明金錫合金焊料中Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%將引起熔點(diǎn)升高30℃[

采用熔覆工藝在蓋板表面預(yù)置金錫焊料時(shí)，焊料存在短時(shí)間的熔化再凝固過(guò)程，該階段會(huì)使蓋板表面金層的一部分融入金錫焊料中，從而改變焊料中的金錫比例。針對(duì)該問(wèn)題，制備金錫比例為 Au₇₈Sn₂₂ 、 Au_78.5Sn21.5 、 Au₇₉Sn₂₁ 1 Au_79.5Sn_20.5 和Au₈₀Sn₂₀ 的5種焊料，使用5種焊料分別進(jìn)行熔覆蓋板的加工，再用相同的密封參數(shù)將加工后的熔覆蓋板與陶瓷外殼密封，并進(jìn)行X射線空洞檢驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，X射線空洞檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，氣密性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，使用5種金錫比例的焊料生產(chǎn)的熔覆蓋板，密封后的氣密性試驗(yàn)結(jié)果均合格。相同的熔覆工藝下，焊料中金元素的質(zhì)量百分比過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響封口后X射線空洞檢驗(yàn)結(jié)果。且由于熔覆工藝階段焊料的“吃金”現(xiàn)象，熔覆工藝所使用的焊料片，不能直接使用 Au₈₀Sn₂₀ 組分的金錫焊料，應(yīng)根據(jù)工藝加工能力，在一定程度上降低金元素質(zhì)量百分比，從而保證熔覆后的焊料組分達(dá)到 Au₈₀Sn₂₀ 的金錫組分。

1.3焊料氧化程度

熔覆蓋板在熔覆工藝階段，焊料會(huì)經(jīng)過(guò)熔化的高溫階段。此時(shí)若金錫合金表面的金、錫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所形成氧化物的熔點(diǎn)一般高于金錫合金本身，整體焊料相當(dāng)于一種包含高熔點(diǎn)氧化物的混合體系，需要更高的溫度才能使整個(gè)體系熔化。

在金錫焊料熔封過(guò)程中，溫度是影響共晶界面形貌最為重要的因素，當(dāng)峰值溫度超過(guò) 350^qC 時(shí)，形成的氣密封裝結(jié)構(gòu)極不可靠[5]。因此要將蓋板置于防氧化的保護(hù)氣氛中進(jìn)行熔覆工藝的加工。

熔覆焊料階段使用的保護(hù)氣氛不同，熔覆后蓋板表面焊料的氧化程度也會(huì)不同。本文分別使用高純度的氮?dú)夂蜌錃庾鳛槿鄹补に囯A段的保護(hù)氣氛，加工的熔覆蓋板表面氧化程度如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)鈿夥罩腥鄹渤龅暮噶媳砻嫜趸潭雀鼑?yán)重，在工藝可選的情況下，應(yīng)在氫氣氛圍中進(jìn)行焊料的熔覆，從而為封裝的高可靠性提供保障。

1.4可靠性試驗(yàn)

按上述設(shè)計(jì)加工的熔覆蓋板，封裝后進(jìn)行外觀及空洞檢驗(yàn)后，通過(guò)模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，A型熔覆蓋板滿(mǎn)足使用可靠性要求。

2 微觀分析

2.1熔覆界面焊料微觀形貌

將熔覆后的蓋板嵌人液態(tài)樹(shù)脂材料中固化制樣，再將其研磨拋光至焊料與蓋板的熔覆界面處，采用掃描電鏡將熔覆界面放大至1600倍，觀察并分析熔覆界面處焊料的微觀形貌及材質(zhì)的組分變化如圖6所示。

剔除干擾的C、O元素后可以發(fā)現(xiàn)，焊料中距離熔覆界面處更近的“譜圖1”處的金組分為 81.3% 距離熔覆界面處更近的“譜圖2”處的金組分為79.1% 。說(shuō)明熔覆后，焊料中金的組分比例會(huì)有一定程度的增大，且距離熔覆界面越近，增大越明顯;距離熔覆界面越遠(yuǎn)，越接熔覆前的焊料組分比例。直觀體現(xiàn)了熔覆工藝階段焊料的“吃金”現(xiàn)象。

2.2熔覆蓋板鍍層結(jié)構(gòu)

在鍍金蓋板的表面再鍍覆一層保護(hù)鎳，可有效防止研磨拋光階段表層金的延展擴(kuò)散。將鍍好保護(hù)鎳的蓋板嵌人液態(tài)樹(shù)脂材料中固化制樣，再將其研磨拋光至蓋板中心點(diǎn)，采用掃描電鏡將其放大至5000倍，可發(fā)現(xiàn)蓋板表面鍍層為鎳-金-鎳-金結(jié)構(gòu)，各鍍層完整連續(xù)且各層厚度較為均勻（如圖7所示）。

3結(jié)語(yǔ)

本文從熔覆蓋板的加工狀態(tài)、熔覆用焊料金錫比例、熔覆后焊料氧化程度3個(gè)方面對(duì)熔覆蓋板的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證研究，并依據(jù)GJB548進(jìn)行了相關(guān)可靠性指標(biāo)的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用沖制工藝加工的金屬蓋板邊緣有一定弧度，存在封口后焊料包角不飽滿(mǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，建議采用線切割工藝加工；熔覆用金錫焊料，應(yīng)根據(jù)工藝適當(dāng)降低其中金的組分比例，為熔覆工藝留下工藝窗口；氮?dú)鈿夥罩腥鄹渤龅纳w板表面氧化程度更嚴(yán)重，建議在氫氣氛圍下進(jìn)行焊料的熔覆，從而提高封裝可靠性。

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