摘自：半導(dǎo)體封裝工程師之家  2019年7月6日 

一、氣密封裝簡介   

一種真正的氣密封裝將在無限的時(shí)間內(nèi)都能防止污染物（液體、固體或氣體）的侵入，然而這并不現(xiàn)實(shí)。甚至在最好的密封結(jié)構(gòu)里，擴(kuò)散現(xiàn)象隨著時(shí)間的延長總會(huì)出現(xiàn)，使得很小的分子（如氦或水蒸氣）穿透阻擋材料，最終在封裝內(nèi)達(dá)到平衡。氣密封裝定義為：在這種封裝里壓入氦氣后，其氦的漏率低于某一規(guī)定的速率（具體數(shù)值與封裝尺寸有關(guān)），如下表1

氣密封裝必須是金屬、陶瓷、玻璃。有機(jī)封裝或用一種有機(jī)物（塑封料或者塑料）密封的封裝可能一開始可以通過表1壓力實(shí)驗(yàn)，但是他將允許水蒸氣來回通過并不斷地從大氣進(jìn)入到封裝體內(nèi)部，因此他們并不是真正的氣密封裝。穿過金屬封裝的互連可以利用膨脹系數(shù)與金屬匹配的玻璃形成的玻璃與金屬密封進(jìn)行絕緣。

  氣密封裝允許把電路安裝在密封的充入良性氣氛的環(huán)境中—一般是充入氮?dú)猓蓮囊旱玫?。這種氮?dú)夥浅８稍?，水汽含量小于百萬分之十（10ppm）。為了進(jìn)一步預(yù)防水汽的侵入，在密封前敞開的封裝（電路已安裝在內(nèi)腔里）要在真空中加熱到較高的溫度（通常是150攝氏度）來去除吸附的水汽和其他氣體。出于高可靠性的考慮，封裝內(nèi)部的水汽含量不得超過5000ppmv（體積的千分之五）。這一數(shù)值低于0攝氏度時(shí)的露點(diǎn)（6000ppmv即體積的千分之六），從而保證了凝結(jié)的任何水都將以冰的形式存在，這樣就不會(huì)引起液態(tài)水所造成的損傷。

  氣密封裝防止了污染，可以大大提高電路的可靠性，特別是有源器件的可靠性。一個(gè)有源器件對(duì)很多潛在的失效機(jī)理都很敏感，例如腐蝕，可能受到像蒸餾水、去離子水那樣的良性物質(zhì)的侵蝕，他們會(huì)從鈍化的氧化物中浸出磷而形成磷酸，從而又會(huì)侵蝕鋁鍵合鍵盤。

二、氣密封裝-金屬氣密封裝與密封方法

金屬封裝主要是由ASTM F-15合金，即Fe54-Ni29-Col7合金（通常所說的可伐，Kovar）制成的。所謂腔體式封裝是F-15合金板在一組連續(xù)的沖模上通過加工成形制成的。再在插入式封裝的底部或扁平式封裝的側(cè)墻沖制出為引線而設(shè)置的孔。然后在封裝體上生長出一層氧化物。將硼硅酸鹽玻璃（一般是Corning7052玻璃）絕緣子穿在引線上，放在封裝體的孔中。將該結(jié)構(gòu)加熱到玻璃的熔化溫度以上（大約500攝氏度）形成一種反應(yīng)性的金屬-玻璃密封封接。熔融玻璃溶解一部分合金上的氧化物（主要是氧化鐵），這些氧化物在冷卻時(shí)提供鍵合（如圖2），用這種方法形成的玻璃-金屬封接有不同的四層：金屬、金屬氧化物、溶解在玻璃中的金屬氧化物、玻璃。

玻璃-金屬封接完成后，沒有被玻璃覆蓋的氧化物必須去除，然后對(duì)金屬表面進(jìn)行電鍍以保證封裝能夠被密封，并可使封裝的引線可以焊接到下一個(gè)更高級(jí)的組裝中。主要的電鍍材料是點(diǎn)解鎳，而經(jīng)常在鍍鎳的表面鍍金以幫助密封和放置腐蝕。封裝引線需要鍍金以保證引線鍵合和提高可焊性。盡管化學(xué)鍍鎳有較好的可焊性，但是當(dāng)引線彎曲時(shí)容易破裂。

用這種方式完成的玻璃-金屬封接提供了一種優(yōu)良的氣密封接，玻璃與F-15合金的TCE（大約5.0x10-6/℃）非常匹配，使得封裝溫度循環(huán)和溫度儲(chǔ)存過程中仍能保持氣密性。

金屬封裝中通常是會(huì)用3中類型的蓋板：凸起的蓋帽、平板蓋和臺(tái)階式蓋板。這些也是用ASTM F-15合金按照與封裝相同的電鍍要求制作。凸起的蓋帽用于平板式封裝并可以進(jìn)行熔焊或焊料釬焊。平板蓋是用于腔體式封裝，主要用焊料釬焊到封裝體上。臺(tái)階式蓋板是通過在F-15合金片上刻蝕出臺(tái)階，使得邊緣厚度大約為0.1mm。這種蓋板是用來平行縫焊腔體式封裝的。當(dāng)這種蓋板打算用焊料釬焊時(shí)，通常將所需焊機(jī)材料的預(yù)制片事先粘接在蓋板底部四周的邊緣上。

金屬封裝常用密封方法：釬焊、平行縫焊、凸焊或者儲(chǔ)能焊接，詳細(xì)如下。

釬焊過程為表面清洗好的工件以搭接型式裝配在一起，把釬料放在接頭間隙附近或接頭間隙之間。當(dāng)工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)溫度后，釬料熔化（工件未熔化），并借助毛細(xì)作用被吸入和充滿固態(tài)工件間隙之間，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴(kuò)散溶解，冷凝后即形成釬焊接頭。

平行縫焊是沿著蓋板邊緣滾過一對(duì)電極產(chǎn)生一系列搭接漢焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。蓋板和封裝殼體的對(duì)準(zhǔn)十分關(guān)鍵，最好在密封工作腔外面完成。最好的辦法是先在蓋板與封裝殼體搭焊邊緣點(diǎn)焊兩個(gè)點(diǎn)在進(jìn)行平行縫焊。臺(tái)階式蓋板對(duì)焊接過程十分有利，可以提高良品率。因?yàn)榕c較厚的平蓋板相比，只需要較小的功率。與其他封裝密封工藝相比，這種密封方法相對(duì)緩慢一些，但用平行縫焊密封的封裝通過磨掉蓋板邊緣很容易把蓋板開啟，由于在密封面處蓋板厚度只有0.1mm，用砂輪打磨一次就很容易做到。把分這個(gè)謊的密封面稍微拋光一下，就可以用另外一個(gè)蓋板與他可靠地密封。

某些類型的封裝帶有法蘭，可以使用稱為凸焊或者儲(chǔ)能焊的工藝進(jìn)行焊接密封。在這個(gè)工藝中電極放在封裝殼體的法蘭周圍，打的脈沖電流通過帽蓋和封裝殼體形成焊縫。能提供每英寸長度焊縫500磅的壓力及12000A電流的大功率電阻焊設(shè)備對(duì)這些封裝是必須的。這種凸焊工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是加工時(shí)間短和成本低。最大的缺點(diǎn)在于很難再去除已密封的帽蓋以便修理內(nèi)部的電路。對(duì)凸焊過的封裝再開帽蓋是一種破壞性的過程，封裝必須被替換。

三、氣密封裝-陶瓷氣密封裝與密封方法

陶瓷封裝在這里被認(rèn)為是一種用與金屬封裝大致相同的方式把厚膜或者薄膜基板置于內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)，具有可直接安裝元器件的金屬化圖形的陶瓷結(jié)構(gòu)稱作多層陶瓷封裝?；旌想娐返奶沾煞庋b通產(chǎn)由3層氧化鋁組成。底層的氧化鋁可以金屬化也可以不金屬化，主要取決于如何安裝基板。中夾層是氧化鋁環(huán)且被粘接到帶有玻璃的底層上，引線框架夾在該氧化鋁環(huán)與帶有另一層玻璃密封的上層氧化鋁之間。上層氧化鋁環(huán)可以金屬化以便蓋板的釬焊密封，也可以不用金屬化而使用玻璃密封蓋板。

陶瓷封裝常用密封方法：釬焊密封、低熔點(diǎn)玻璃、其他新型，詳細(xì)如下。

陶瓷封裝密封常用的方法是釬焊密封。在封裝制造過程中，把一種難熔金屬或幾種金屬的氧化物，如W或一種Mo與Mn的合金，涂覆在密封區(qū)四周的陶瓷表面上進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)后，這些金屬化表面先后鍍鎳、鍍金，用ASTM F-15合金制成的蓋板以相同的方式電鍍，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的爐內(nèi)通常用Au80/Sn20合金釬焊到封裝上。

一種比較便宜但可靠性稍差的密封方法是使用低熔點(diǎn)的玻璃把一個(gè)陶瓷蓋板直接密封到陶瓷封裝上。他完全避免了金的使用，因而大大降低了成本。與AuSn焊料在大約300攝氏度密封不同，玻璃密封在大約400攝氏度。玻璃密封對(duì)機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力有些敏感，，特別是在玻璃與封裝的界面。

這兩種方法都有一個(gè)共同的問題，這就是很難把蓋板去除進(jìn)行修理，使得封裝再進(jìn)行重新封裝的努力都是徒勞的。一種目前使用越來越多的可替代方法是把如前所述已電鍍過鎳和金的ASTM F-15合金環(huán)釬焊到陶瓷封裝的密封面上，然后惡意使用平行縫焊，因?yàn)樗哂械娜菀仔迯?fù)的特點(diǎn)。這種方法常常用于多芯片封裝設(shè)計(jì)的多層陶瓷封裝。

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