金錫熔封主要特點(diǎn)

   金錫熔封屬于合金燒結(jié)密封工藝的一種。該工藝使用金錫（AuSn）焊料環(huán)作為釬料，通過將溫度提升至300℃以上，使焊料熔化并經(jīng)歷共晶過程（共晶溫度為280℃），將預(yù)先鍍有鎳層和鍍金層的陶瓷管殼與金屬蓋板燒結(jié)在一起，從而形成密閉的管殼腔體。金錫熔封也常被稱作低溫?zé)Y(jié)、金錫燒結(jié)密封等。

    金錫焊料在焊接強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗氧化等方面表現(xiàn)卓越，而且在燒結(jié)過程中無需添加助焊劑，有效避免了助焊劑對(duì)集成電路芯片造成污染和腐蝕。因此，金錫焊料成為電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的焊料之一。就封裝質(zhì)量和密封可靠性而言，金錫熔封是極為重要且常用的高可靠集成電路密封方式，其焊接成品率可達(dá)99%以上。

    在常見的金系焊料當(dāng)中，如金錫（80%的Au，20%的Sn，熔點(diǎn)280℃）、金鍺（88%的Au，12%的Ge，熔點(diǎn)356℃）、金硅（97%的Au，3%的Si，熔點(diǎn)363℃）等，Au80Sn20合金焊料的熔點(diǎn)相對(duì)較低，具體情況如圖1所示。密封作為封裝的最后一道工序，工藝溫度越低，對(duì)芯片質(zhì)量以及之前封裝工序可靠性的影響就越小，所以Au80Sn20作為燒結(jié)密封焊料具有顯著優(yōu)勢(shì)。在Au80Sn20系統(tǒng)中，共晶體富金一側(cè)的液相曲線斜率十分陡峭，金含量的增加會(huì)使焊料的熔化溫度迅速上升至320 - 360℃，因此在反應(yīng)過程中，必須避免過多額外金元素干擾共晶反應(yīng)的順利完成。

圖1 常見金系合金的熔點(diǎn)

焊料的潤(rùn)濕性是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通常通過測(cè)定其潤(rùn)濕角、潤(rùn)濕速率或鋪展性來評(píng)估可焊性。接觸角越小，鋪展性越高，表明焊料的流散性能越好，焊接質(zhì)量也就更有保障。AuSn合金焊料具有適宜的潤(rùn)濕性和接觸角，其鋪展百分?jǐn)?shù)在70% - 80%之間，封裝焊接后不易出現(xiàn)“爬蓋”現(xiàn)象，焊接強(qiáng)度高，氣密性漏氣速率可小于1×10?3Pa·cm3/s 。

在金錫熔封工藝中，涉及的主要設(shè)備、工具、材料和氣氛包括金錫焊料環(huán)、管殼、蓋板、密封夾具、燒結(jié)爐、還原氣氛和保護(hù)氣氛等。因此，對(duì)金錫熔封的控制主要涵蓋以下幾個(gè)方面：原材料的質(zhì)量控制（包括原材料的采購、檢驗(yàn)與保存等環(huán)節(jié)），密封工藝過程控制（涉及操作規(guī)范性、設(shè)備穩(wěn)定性、程序合法性以及環(huán)境穩(wěn)定性等），密封設(shè)計(jì)及控制（如壓力施加方式、夾具的選用和更新等）。

    金錫熔封工藝在眾多高可靠陶瓷 - 金屬氣密封裝結(jié)構(gòu)的集成電路和微波器件中得到廣泛應(yīng)用，該工藝具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.蓋板適應(yīng)性強(qiáng)且機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)：對(duì)蓋板厚度沒有特殊要求，封焊后機(jī)械強(qiáng)度高，蓋板耐壓能力強(qiáng)。

2.封裝材料兼容性好：對(duì)封裝材料的種類沒有限制，可伐合金、銅、鋁等材料均能實(shí)現(xiàn)氣密封裝。

3.封裝應(yīng)力?。?/strong>只要選擇與殼體材料一致的蓋板材料，器件就能承受標(biāo)準(zhǔn)GJB548B - 2005中規(guī)定的溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊等嚴(yán)苛使用條件。

4.耐腐蝕性能佳：無須經(jīng)過任何特殊處理，就能經(jīng)受鹽霧試驗(yàn)，使器件可在腐蝕性氣體（或液體）環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

熔封質(zhì)量影響因素

1.溫度

    AuSn20合金焊料基于其共晶成分特性，只需很小的過熱度，就能促使合金熔化。熔化后的合金具備充足的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，可順利完成與管殼、蓋板鍍層的浸潤(rùn)過程，并且合金的凝固過程同樣迅速，這使得單次密封焊接周期大幅縮短。在焊接封裝作業(yè)時(shí)，AuSn20的密封溫度通常設(shè)定在330℃左右，相較于焊料熔點(diǎn)高出50℃。有研究人員給出了鏈?zhǔn)綘t和真空爐燒結(jié)密封工藝的溫度曲線，具體如圖2所示。

圖2 AuSn20焊料鏈?zhǔn)綘t和真空爐燒結(jié)密封工藝溫度曲線

    由圖2可知，鏈?zhǔn)綘t密封的典型加熱周期包含快速預(yù)熱期（3 - 5分鐘），以及在液相溫度以上維持的最短時(shí)間（3 - 5分鐘）；真空爐的溫度曲線則涵蓋預(yù)熱、升溫、恒溫、峰值溫度、降溫等多個(gè)階段。在實(shí)際的密封操作中，需依據(jù)電路的具體特性，靈活調(diào)節(jié)燒結(jié)峰值溫度和燒結(jié)時(shí)長(zhǎng)。

2.保護(hù)氣體

    焊接過程中，使用保護(hù)氣體對(duì)焊接表面加以保護(hù)，能夠有效隔絕空氣和氧氣，防止焊接表面發(fā)生氧化，從而避免對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。在此情形下，保護(hù)氣氛的選擇至關(guān)重要。一般會(huì)采用真空環(huán)境，或氬氣，又或是氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為保護(hù)氣體。當(dāng)使用鏈?zhǔn)椒庋b爐時(shí)，可采用氫氣和氮?dú)獍?0:10比例混合的氣體，也可以采用高純度氮?dú)狻?/span>

3.鍍層

    在Au - Sn系統(tǒng)里，共晶體富金一側(cè)的液相曲線斜率極為陡峭。在高于共晶組成的區(qū)域，金含量?jī)H增加3% - 5%，就能讓液相溫度從280℃急劇提升至450℃以上，這極有可能引發(fā)諸多氣密性失效問題。在密封過程中，管殼、蓋板上的鍍金層會(huì)迅速熔解到金錫焊料之中，導(dǎo)致焊料中的金含量出現(xiàn)微量增加。因此，在確保金鍍層具備足夠浸潤(rùn)性和防護(hù)性的前提下，其厚度應(yīng)盡可能減薄。 

    然而，如果鍍鎳層不夠致密，或者厚度過薄，基材中的某些微量元素（例如Fe）就會(huì)顯著加速合金的氧化進(jìn)程。析出的Fe會(huì)形成FeSn初晶，阻礙AuSn合金的流動(dòng)，進(jìn)而對(duì)氣密性造成不利影響 。

4. 焊料狀態(tài)

    依據(jù)AuSn合金中錫的氧化原理，空氣中的氧氣很容易與AuSn合金里的錫發(fā)生反應(yīng)，生成金屬氧化物，進(jìn)而在焊料環(huán)表面形成錫的氧化膜。隨著環(huán)境溫度的上升，合金分子的熱運(yùn)動(dòng)愈發(fā)劇烈，分子間的碰撞概率大幅增加，這無疑加快了錫的氧化速度。所以，在金錫焊料的儲(chǔ)存與使用過程中，務(wù)必做好抗氧化防護(hù)措施。

    在電路密封環(huán)節(jié)，焊料環(huán)表面的氧化物有一部分會(huì)溶解于AuSn合金熔液中，這會(huì)妨礙液態(tài)焊料對(duì)固體母材的浸濕，進(jìn)而對(duì)封焊效果產(chǎn)生不良影響。由于存在濃度差，氧化物會(huì)向金屬熔液內(nèi)部擴(kuò)散，致使氧化膜進(jìn)入焊縫，最終引發(fā)各種連接缺陷。有研究報(bào)道指出，合金中的氧含量必須控制在0.5%以下，否則很難實(shí)現(xiàn)良好的密封效果。

5. 蓋板狀態(tài)

管殼和蓋板的封焊區(qū)域必須保持清潔。一旦封焊區(qū)域存在玷污，其浸潤(rùn)性就會(huì)顯著變差。在金錫處于熔融狀態(tài)時(shí)，玷污處會(huì)產(chǎn)生氣泡。在后續(xù)加熱、加壓過程中，氣泡會(huì)不斷延展直至爆破，這不僅會(huì)導(dǎo)致漏氣問題，還可能造成金錫焊料飛濺。

常見缺陷

金錫熔封過程中，常見的缺陷如下：

1.鍍層缺陷：表現(xiàn)為剝落、起皮、起泡、凹坑或腐蝕等問題，這些缺陷會(huì)影響鍍層的保護(hù)作用與焊接效果。

2.蓋板損傷：蓋板出現(xiàn)劃傷、擦傷或凹陷，會(huì)使基底金屬暴露，降低蓋板的防護(hù)性能，影響密封質(zhì)量。

3.焊縫斷點(diǎn)：焊縫處存在斷點(diǎn)，破壞了焊縫的連續(xù)性，可能導(dǎo)致密封失效。

4.焊料爬蓋：焊料在蓋板上過度蔓延，可能影響器件的正常性能與外觀。

5.焊料內(nèi)溢：焊料向管殼內(nèi)部溢出，可能對(duì)內(nèi)部電路造成污染，影響器件的電氣性能。

6.蓋板偏移：蓋板在封焊過程中發(fā)生偏移，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，降低封裝的可靠性。

7.密封空洞：密封區(qū)域存在空洞，會(huì)降低焊接強(qiáng)度，影響氣密性。

8.水汽含量超標(biāo)：封裝內(nèi)部水汽含量超出標(biāo)準(zhǔn)，可能引發(fā)腐蝕等問題，縮短器件的使用壽命。

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