小尺寸陶瓷封裝用熔覆金錫合金焊料蓋板可靠性驗證

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點被廣泛應用在各特殊領域，其未來發展趨勢呈現在單芯片高性能化封裝和多芯片高集成化封裝兩方面，由此導致了封裝外殼的逐步小型化。其中，蓋板作為封裝環節必不可少的一部分，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行密封。

常規尺寸（ 5.00mm×5.00mm 以上）的蓋板、焊料一體化技術基本采用焊料點焊方式。隨著封裝器件的小型化、高集成化，受點焊機槍頭尺寸和點焊對位精度的限制，常規點焊技術無法實現微小焊點的點焊，且點焊時焊料與蓋板的對位偏差難以把控。熔覆焊料技術相較于常規點焊技術，不受點焊設備的限制，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，就可實現蓋板、焊料的一體化制作，擁有廣闊的發展

前景。

本文基于自主研發的小尺寸熔覆金錫合金焊料蓋板（簡稱“熔覆蓋板”），從產品加工狀態、熔覆用焊料金錫比例、熔覆后焊料氧化程度3方面對自主研發的熔覆蓋板的可靠性進行了驗證，并利用掃描電鏡從微觀上對熔覆后焊料與蓋板熔覆界面的金錫比例變化情況、鍍層結構進行了分析，為熔覆蓋板的生產及封裝提供一定思路。

1熔覆蓋板可靠性研究

本文以自主研發的A型熔覆蓋板（20號 （2.69mm×2.29mm） 及其配套的LCC外殼（如圖1所示）為例，對熔覆蓋板封裝可靠性進行驗證研究。

1.1熔覆蓋板加工狀態

熔覆蓋板中，主要使用可伐合金材質的金屬蓋板作為鍍金用蓋板，低磁蓋板等特殊領域也會使用鉬銅合金或純鉬等材質加工蓋板。其中，可伐合金材質較軟，批產時多采用沖制工藝和線切割工藝進行加工，鉬銅合金或純鉬材質較硬，基本采用線切割工藝加工。根據兩種工藝的工藝特點，加工后蓋板兩面呈現兩種狀態：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，金錫焊料片會經歷先熔化再凝固的過程，此階段焊料會出現擴散延展現象，因此熔覆蓋板使用的焊料片厚度會相對更薄（常規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散延展尺寸過大。這同樣會造成焊料量的減少，進而在密封后呈現封口區焊料包角不連續的現象。沖制工藝加工的蓋板與陶瓷外殼貼合時，密封界面處蓋板邊緣的圓弧角需要更多的焊料進行填充，更易出現焊料包角不連續的問題（如圖3所示）。

為驗證此現象，分別將沖制工藝和線切割工藝加工的蓋板進行密封，設計如表1所示兩組試驗。試驗結果表明，蓋板邊緣處為圓弧角，可能會導致封口區焊料包角不連續的情況，會增大密封漏氣的風險；蓋板邊緣處為直角，有利于防止封口區焊料包角斷點現象的發生。

1.2熔覆用焊料金錫比例

當Au和Sn的質量分數分別為 80% 和 20% 時，金錫合金焊料的熔點最低， 278°C 下即可發生共晶反應。這種焊料導熱率和剪切強度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料；又以其較高的穩定性、耐腐蝕性和潤濕性，在高可靠氣密封裝中應用廣泛[-3]。有研究表明金錫合金焊料中Au的質量分數每增加1%將引起熔點升高30℃[

采用熔覆工藝在蓋板表面預置金錫焊料時，焊料存在短時間的熔化再凝固過程，該階段會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。針對該問題，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種焊料分別進行熔覆蓋板的加工，再用相同的密封參數將加工后的熔覆蓋板與陶瓷外殼密封，并進行X射線空洞檢驗和氣密性試驗，X射線空洞檢驗結果如圖4所示，氣密性試驗結果見表2。

由試驗結果可知，使用5種金錫比例的焊料生產的熔覆蓋板，密封后的氣密性試驗結果均合格。相同的熔覆工藝下，焊料中金元素的質量百分比過高或過低均會影響封口后X射線空洞檢驗結果。且由于熔覆工藝階段焊料的“吃金”現象，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，應根據工藝加工能力，在一定程度上降低金元素質量百分比，從而保證熔覆后的焊料組分達到 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，焊料會經過熔化的高溫階段。此時若金錫合金表面的金、錫與氧發生化學反應，所形成氧化物的熔點一般高于金錫合金本身，整體焊料相當于一種包含高熔點氧化物的混合體系，需要更高的溫度才能使整個體系熔化。

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

熔覆焊料階段使用的保護氣氛不同，熔覆后蓋板表面焊料的氧化程度也會不同。本文分別使用高純度的氮氣和氫氣作為熔覆工藝階段的保護氣氛，加工的熔覆蓋板表面氧化程度如圖5所示。

試驗結果表明，氮氣氣氛中熔覆出的焊料表面氧化程度更嚴重，在工藝可選的情況下，應在氫氣氛圍中進行焊料的熔覆，從而為封裝的高可靠性提供保障。

1.4可靠性試驗

按上述設計加工的熔覆蓋板，封裝后進行外觀及空洞檢驗后，通過模擬產品的實際使用環境，進行可靠性試驗驗證，試驗結果如表3所示。根據試驗結果可知，A型熔覆蓋板滿足使用可靠性要求。

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樹脂材料中固化制樣，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的組分變化如圖6所示。

剔除干擾的C、O元素后可以發現，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% 。說明熔覆后，焊料中金的組分比例會有一定程度的增大，且距離熔覆界面越近，增大越明顯;距離熔覆界面越遠，越接熔覆前的焊料組分比例。直觀體現了熔覆工藝階段焊料的“吃金”現象。

2.2熔覆蓋板鍍層結構

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

3結語

本文從熔覆蓋板的加工狀態、熔覆用焊料金錫比例、熔覆后焊料氧化程度3個方面對熔覆蓋板的可靠性進行了驗證研究，并依據GJB548進行了相關可靠性指標的驗證。試驗結果表明，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的風險，建議采用線切割工藝加工；熔覆用金錫焊料，應根據工藝適當降低其中金的組分比例，為熔覆工藝留下工藝窗口；氮氣氣氛中熔覆出的蓋板表面氧化程度更嚴重，建議在氫氣氛圍下進行焊料的熔覆，從而提高封裝可靠性。

參考文獻

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