微小型一體化管殼氣密封裝技術(shù)

胡 駿，雷黨剛，金家富，付 娟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031）

1 引言

一體化管殼（Integral Substrate/Package）是將微電路的基板作為封裝的載體，在基板上直接引出封裝的I/O端子并裝連封裝體的其他部分，使基板與外殼成為一個(gè)封裝整體[1]。由于電子設(shè)備要求重量越來越輕、體積越來越小，功能越來越先進(jìn)，因此，微小型一體化封裝管殼，尤其是表面安裝型（SM）封裝管殼的需求量不斷增大。

一體化管殼的氣密封裝是提高器件可靠性的有效方法之一。目前國(guó)內(nèi)外流行的密封焊接主要為平行縫焊和激光封焊。因一體化封裝管殼微小型化后，其密封焊接過程易出現(xiàn)一些質(zhì)量問題。本文針對(duì)某微小型一體化管殼氣密封裝中的一些問題，采用有限元法進(jìn)行焊接熱應(yīng)力分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效降低微小型一體化管殼氣密封裝的失效率。

2 故障現(xiàn)象及機(jī)理分析

某產(chǎn)品中采用一種一體化管殼，其基板為高溫共燒陶瓷（HTCC），殼壁和引腳的材料均為可伐材料，通過銀銅焊料釬焊到HTCC上。該管殼在氣密封裝過程中出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，經(jīng)分析是因?yàn)樵摴軞ぴ谄叫锌p焊后管殼瓷體出現(xiàn)裂紋，影響管殼的氣密性，瓷體裂紋如圖1所示。裂紋主要集中在管殼瓷體的中部及端頭部分。

圖1 平行縫焊后瓷體裂紋

該管殼氣密封裝的焊接形式為平行縫焊，屬于一種電阻熔焊方式，焊接時(shí)瞬時(shí)溫度超過1400℃。瞬時(shí)產(chǎn)生的高熱量向四周擴(kuò)散，對(duì)可伐金屬墻體與高溫共燒陶瓷的焊接處產(chǎn)生熱沖擊。當(dāng)該熱沖擊應(yīng)力超過該處陶瓷強(qiáng)度時(shí)，將使得陶瓷產(chǎn)生裂紋。為防止裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡量減少平行縫焊產(chǎn)生的熱量對(duì)外殼的熱沖擊。平行縫焊所產(chǎn)生的總能量由公式（1）計(jì)算：

式中：P為焊接功率；PW為脈沖寬度；PRT為重復(fù)周期；S為焊接速度；L為焊接長(zhǎng)度。

由式（1）可以看出，平行縫焊所產(chǎn)生的熱量與焊接功率、焊接速度、脈沖寬度和重復(fù)周期等參數(shù)有關(guān)，要降低平行縫焊過程對(duì)管殼瓷體的熱沖擊，合理的平行縫焊參數(shù)至關(guān)重要。

3 有限元計(jì)算與分析

焊接熱應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)隨加熱和冷卻發(fā)展而變化的材料熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)態(tài)過程。在有限元計(jì)算模型中假設(shè)HTCC陶瓷為連續(xù)的完全彈性體，金屬可伐為理想彈塑性體，對(duì)整個(gè)管殼選用PLANE13單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，焊接所產(chǎn)生的熱量可由公式（1）計(jì)算得出，最終計(jì)算出各網(wǎng)格點(diǎn)的溫度。有限元計(jì)算所需物性材料表見表1[2]。

表1 材料的物理參數(shù)

我們以三組焊接參數(shù)進(jìn)行有限元法計(jì)算，具體焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

三種焊接參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與溫度場(chǎng)分布圖如圖2～圖4所示。

圖2 焊接熱量為76W的溫度場(chǎng)，最高溫度185℃

圖3 焊接熱量為58W的溫度場(chǎng)，最高溫度151℃

圖4 焊接熱量為43W的溫度場(chǎng)，最高溫度181℃

從三種焊接參數(shù)的計(jì)算結(jié)果來看，管殼瓷體端頭與中間部位的溫度較高，計(jì)算結(jié)果與管殼瓷體實(shí)際裂紋所產(chǎn)生的位置相一致。

此外，從計(jì)算結(jié)果我們還可以看出，在相同焊接速度下，焊接熱量越高，管殼瓷體溫升越高，如圖2和圖4所示，焊接速度同為5mm/s時(shí)，焊接熱量為76W時(shí)的管殼瓷體最高溫度為185℃，焊接熱量為58W時(shí)的管殼瓷體最高溫度為151℃。另一方面，管殼瓷體溫升與焊接速度有關(guān)，即使焊接熱量偏大，焊接速度較快，管殼瓷體溫升也較低，如圖4所示，焊接熱量為43W、焊接速度為3mm/s時(shí)，管殼瓷體的最高溫度達(dá)到181℃；相對(duì)而言，如圖3顯示，焊接熱量為58W，焊接速度為5mm/s，管殼瓷體的最高溫度只有151℃。

4 試驗(yàn)和結(jié)果

我們按表2的焊接參數(shù)分別焊接50個(gè)試驗(yàn)樣件并檢查管殼瓷體裂紋，結(jié)果如表3所示。從裂紋的數(shù)量來看，與有限元法計(jì)算的預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

表3 三組試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，我們用實(shí)時(shí)溫度測(cè)量?jī)x對(duì)整個(gè)焊接過程進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5～圖7所示。實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元法計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上有一定偏差，可能是計(jì)算模型過于簡(jiǎn)化造成的，但總體趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果相符。

圖5 焊接熱量為76W的溫度曲線，最大值為201℃

圖6 焊接熱量為58W的溫度曲線，最大值為165℃

5 改進(jìn)措施及效果

為進(jìn)一步降低焊接熱應(yīng)力，我們對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。考慮到焊接速度對(duì)焊接熱應(yīng)力有較大影響，我們對(duì)第二組焊接參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，即在保證焊接總熱量變化不大的基礎(chǔ)上（由58W調(diào)整為54W，確保封裝氣密性），提高焊接速度（由原來的5mm/s提高至7mm/s），該參數(shù)的有限元法計(jì)算結(jié)果如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后，管殼瓷體的最高溫度僅為110℃。

圖7 焊接熱量為43W的溫度曲線，最大值為180.5℃

圖8 焊接熱量為54W、焊接速度為7mm/s的溫度場(chǎng)

我們用實(shí)時(shí)溫度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)量溫度最大值為141.5℃，其溫度曲線如圖9所示，實(shí)測(cè)結(jié)果表明參數(shù)改進(jìn)措施有效。用改進(jìn)后的參數(shù)進(jìn)行管殼封焊，未發(fā)現(xiàn)瓷體開裂現(xiàn)象。

圖9 焊接熱量為54W的溫度曲線，最大值為141.5℃

6 結(jié)論

本文針對(duì)微小型一體化管殼的氣密封裝工藝開展了技術(shù)研究，在仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上優(yōu)化了平行縫焊工藝參數(shù)及焊接工裝，解決了微小型一體化管殼平行縫焊瓷體開裂的問題，主要結(jié)論如下：

（1）平行縫焊熱沖擊是一體化管殼瓷體開裂的主要原因，焊接所產(chǎn)生的熱量越大，管殼瓷體的溫升越高，管殼瓷體開裂的幾率越大。

（2）管殼瓷體開裂幾率與焊接速度有關(guān)，即使焊接熱量偏大，較快的焊接速度可有效降低管殼的熱沖擊。

[1] 何中偉，王守政. LTCC基板與封裝的一體化制造[J]. 電子與封裝，2004，4（4）：20-23.

[2] 李新宇，高隴橋，魯燕萍，劉征. 氮化鋁與可伐封接件有限元應(yīng)力分析[J]. 真空電子技術(shù)，2009，4：75-77.