平行縫焊用蓋板可靠性研究

1 引言

　　目前平行縫焊工藝在有氣密性要求的各種電子封裝中大量使用。由于密封過程中封裝體的溫升較低、不使用焊料、對器件性能影響較小、焊接強度高等優點，在對溫度較敏感的電子元器件，如集成電路、混合集成電路、表面安裝型石英晶體振蕩器、諧振器以及聲表面波濾波器(SAW)等電子元器件封裝中普遍采用。其封裝氣密性可達：漏率L≤1×10-3Pa·cm3/S(He)，是一種可靠性較高的封帽方式，可用于氣密性要求較高的封裝中。

　　平行縫焊雖然是一種可靠性較高的封帽方式，但作為平行縫焊重要部件--平行縫焊用蓋板，它是平行縫焊重要的結構性材料，對封裝中氣密性及氣密性成品率有重要影響。要想提高平行縫焊的可靠性，除了封裝底座要有高的質量，還必須要有高質量的蓋板。而高質量的平行縫焊蓋板必須具備：①熱膨脹系數與底座焊環的相同，與瓷體的相近。②焊接熔點溫度要盡可能低。③耐腐蝕性能優良。④尺寸誤差小。⑤平整、光潔、毛刺小、沾污少等特性。下面就分別闡述高質量平行縫焊蓋板所必需具備的幾個要素。

　　2 熱膨脹系數的匹配

　　平行縫焊蓋板的熱膨脹系數主要取決于蓋板基礎體材料本身。首先要依據底座焊環的熱膨脹系數來決定蓋板基體材料的選擇。目前用量最大的是氧化鋁陶瓷底座，其次就是可伐(KOVAR合金)底座。而與陶瓷膨脹系數相匹配的金屬焊環是KOVAR合金或4J42鐵鎳合金。因此，我公司生產的平行縫焊用蓋板均采用KOVAR合金材料，與陶瓷底座相匹配。這一材料封帽成品率高(≥99.5%)，封裝后器件經-55℃～+150℃、50次循環，漏氣L≤9×10-8～7×10-10atm·cm3/s(相當于9×10-3～7×10-5Pa·cm3/s(He))。

　　3 焊接熔點溫度要求

　　平行縫焊焊接熔點溫度高低對于保護電子元器件性能不受影響是個比較關鍵的技術問題。我們知道半導體器件、石英晶體振蕩器對于高溫都比較敏感。如果封裝體溫升偏高，會使石英晶體振蕩頻率偏離設計范圍、誤差加大，甚至使器件失效。為了保護所封裝電路及石英晶體振蕩器等電子元器件性能及成品率，必須努力降低焊接熔點溫度，以減少封焊時所產生的溫升。有時溫升太高，還會使陶瓷底座與焊環因應力而開裂、甚至使焊環金屬化脫落等，造成整個器件報廢，降低焊接熔點溫度有利于提高封帽的成品率和可靠性。而KOVAR材料熔點為1460℃，鐵鎳合金4J42熔點也高達1440℃，若要降低平行縫焊焊接熔點溫度，就要在蓋板鍍層上來解決問題。平行縫焊蓋板常用鍍鎳、鍍金或鍍鎳合金的工藝。純鎳的熔點為1453℃，純金的溫度為1063℃。我們開始采用電鍍鎳，發現無法降低熔點焊接溫度。因為電解鍍鎳接近于純鎳，其熔點溫度高，在用戶焊接時需要采用較大的電流，可焊性差。只有合金鎳才能有效降低熔點溫度。化鍍鎳合金有鎳磷合金和鎳硼合金，而含磷量在12.4Wt%時達到最低。參見圖1和圖2。

　　從圖1可以看出，鎳磷合金最低熔點880℃，比鎳硼最低溫度1093℃低。顯然采用鍍鎳磷合金較優。但含磷量也不宜太高，太高了玻璃相增多，硬度太大，平行縫焊時易產生微裂紋。采用含磷量適中的工藝配方，在實際生產及用戶使用中均取得了滿意的效果。鍍鎳蓋板在經氫氣爐中高溫(780℃)退火和不退火，其使用效果無明顯差異。

　　選用化鍍鎳磷，還有一種考慮，就是鍍層的體電阻和接觸電阻、化鍍鎳磷鍍層的電阻比較大，其電導率一般為(1.47～2.22)×106n-1·m-1，電解鍍層的電導率為13.7×106n-1·m-1。顯而易見，化學鍍鎳層的電阻要比電解鍍鎳層大。因平行縫焊實質上是電阻焊，在焊接過程中其電阻集中在電極與蓋板接觸處，也就是鍍層部位應要有較大電阻，體電阻大的鍍層其接觸電阻大，這樣脈沖電流通過時，其產生的熱量就集中在電極接觸處，使接觸處蓋板與焊框熔融而結合在一起。因此其電阻大些是有好處的。

　　4 耐腐蝕性能

　　作為高可靠平行縫焊蓋板，耐銹蝕性能是非常重要的。尤其是器件