金錫預(yù)成型焊片在陶瓷封裝外殼中的應(yīng)用
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金錫成型
預(yù)成型焊片是一種表面平整的焊料薄片，有Au80Sn20、Au88Ge12、Au96.85Si3.15等，常用于陶瓷、可伐合金、芯片、IC封裝、金屬管殼等之間的焊接，廣泛應(yīng)用于包括可靠封裝連接、金屬外殼或陶瓷外殼氣密封裝工藝的焊接等領(lǐng)域。合金焊料熔封工藝中使用最廣泛的是Au80Sn20合金，能適應(yīng)高真空、高強(qiáng)度、耐腐蝕高要求。
一、什么是金錫合金焊片？有何優(yōu)勢(shì)？
金錫共晶（Au80wt%Sn20wt%）由金錫中間相δ（AuSn ）和密排六方相ζ （Au5Sn）組成，是金錫合金中熔點(diǎn)最低的，具有優(yōu)良的焊接工藝性能和焊接接頭強(qiáng)度。金錫合金熔點(diǎn)280℃，釬焊溫度僅比它的熔點(diǎn)高出20～30℃（即約300～310℃）。在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可以使合金熔化并浸潤；另外，合金的凝固過程進(jìn)行得也很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個(gè)釬焊過程周期。作為共晶合金，金錫合金具有細(xì)小均勻的晶格，從而有著很高的強(qiáng)度。同時(shí)金錫合金焊料的高溫焊接強(qiáng)度也比較高，因而能夠耐受熱沖擊、熱疲勞，能夠在高溫環(huán)境或者溫度變化幅度大的環(huán)境下使用。金錫合金焊料在280℃熔點(diǎn)附近很小的一個(gè)范圍內(nèi)完全熔化成流動(dòng)性很好的液態(tài)，因而具有很小的粘滯性，能夠很迅速的鋪展開來，保證焊接的密封性。由于金錫合金焊料是共晶成分，組織細(xì)小，焊料強(qiáng)度較高，在接近熔點(diǎn)的時(shí)候依然保持有一定的強(qiáng)度，同時(shí)抗裂紋擴(kuò)展能力也很強(qiáng)，所以金錫共晶合金的抗蠕變性能和抗疲勞性能也很優(yōu)良。金錫合金焊料的熱導(dǎo)率為57W/m·k，在軟釬料中屬于較高水平，當(dāng)同樣的厚度焊料情況下，熱阻就小，因此焊接的器件具有良好的導(dǎo)熱性能。由于合金成份中金占了很大的比重（80%），材料表面的氧化程度較低。如果在釬焊過程中采用真空，或還原性氣體如氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚?，就不必使用化學(xué)助焊劑。具有良好的浸潤性，而對(duì)鍍金層又無鉛錫焊料的那種浸蝕現(xiàn)象。金錫合金與鍍金層的成分接近，因而通過擴(kuò)散對(duì)很薄鍍層的浸溶程度很低；同時(shí)也沒有像銀那樣的遷徒現(xiàn)象。Au80Sn20 焊料的不足之處是價(jià)格較貴，性能較脆，延伸率很小，不易加工。用于微電子封裝的釬焊料有很多形式，常見的焊絲、焊膏以及預(yù)成型焊片等。由于金錫合金的脆性，很難制成連續(xù)、性能均勻并且能夠纏繞的焊絲。預(yù)成型片通常首先將焊料制成焊料片，然后通過機(jī)械沖裁、剪切制成所需的焊片形狀，能夠確保釬焊料的精確用量和準(zhǔn)確位置，以達(dá)到在最低成本情況下獲得最佳的質(zhì)量。預(yù)成型焊片最早在上世紀(jì)60年代應(yīng)用于一些元器件如金屬封裝的鉭電容，現(xiàn)在主要用于一些無源器件、光電器件的生產(chǎn)及封裝。
預(yù)成型片主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）采用預(yù)制成型焊片工藝，能夠精確控制釬焊料用量、成分和表面狀態(tài)。通過合理設(shè)計(jì)預(yù)制成型焊片的厚度和形狀，精確控制焊料的使用量，用最少的焊料量，滿足最好的焊接要求，在保證焊接質(zhì)量的情況下將焊接成本大幅降低。2）通常采用預(yù)制成型焊片工藝是在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，在這種條件下，可以免除使用易污染和難以控制的助焊劑，免除焊接后成本很高的清洗過程，節(jié)約成本，減少環(huán)境污染。3）通過合理設(shè)計(jì)的預(yù)成型焊片通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接頭獲得很高的電學(xué)性能和焊接成品率，所以預(yù)成型焊片焊接工藝是高可靠、高導(dǎo)熱封裝的理想焊接工藝。4）對(duì)于需要連接的基板材料的變化和特殊性能或環(huán)境保護(hù)的要求，對(duì)金錫焊料預(yù)成型片幾乎不受任何限制。
二、金錫焊片在陶瓷封裝管殼的應(yīng)用
Au80Sn20等合金焊料密封不僅能用于各類高可靠IC，也能用于MEMS中慣性陀螺等并滿足高真空、低漏率；也能用在PHEMT結(jié)構(gòu)GaAs器件的密封腔內(nèi)，滿足氫含量低的要求。在綜合考慮外殼和蓋板成本、適應(yīng)多種類型器件、密封工藝設(shè)備投入、成品率、可靠性等因素，合金焊料熔封工藝是首選。氣密電子封裝產(chǎn)品的一部分需要焊接到一些陶瓷部件上。主要是考慮陶瓷具有一些金屬件無法達(dá)到的物理性能如低熱膨脹系數(shù)、電絕緣、高強(qiáng)度等。金錫預(yù)成型焊片在陶瓷封裝的應(yīng)用有：1）當(dāng)有源器件芯片和基板兩者都需要具有低熱膨脹系數(shù)時(shí)把有源器件芯片粘接到一個(gè)外殼內(nèi)。
2）封蓋，即把一個(gè)金屬或玻璃的蓋板密封到陶瓷外殼上。采用一定厚度，形狀為不封閉框架的金錫預(yù)成型片。對(duì)于封蓋，一般會(huì)采用平行縫焊機(jī)對(duì)連接處局部加熱，在平行縫焊過程中金錫焊片受熱熔化與陶瓷表面金屬緊密結(jié)合。這樣對(duì)封裝內(nèi)用金錫合金釬焊的有源器件芯片將不會(huì)受到影響。3）引線絕緣子的焊接。采用高強(qiáng)度的陶瓷做絕緣體，要求釬焊材料具有良好的潤濕性、抗腐蝕性和高的楊氏模量等。采用金錫合金焊接的器件能夠經(jīng)受得起長時(shí)間的熱應(yīng)力循環(huán)。
圖 金錫合金預(yù)成型片在光電封裝中的應(yīng)用在光電器件如發(fā)射器、接收器及放大器等封裝中的穿通粘接中，墊圈型金錫預(yù)成型片也是一種最好的選擇。在連接過程中，熔化的金錫墊圈在毛細(xì)作用下會(huì)填充在絕緣子外導(dǎo)體和封裝基體（兩者皆由可伐合金制造并鍍以鎳和金）之間的間隙，由于絕緣子和基體之間的空隙很小，過多的釬焊料會(huì)造成短路。作為預(yù)成型片的優(yōu)點(diǎn)之一，精確數(shù)量的金錫釬焊料可做成墊圈型預(yù)成型片以防止短路。利用金錫合金預(yù)成型焊片制作預(yù)置金錫蓋板/殼體，即將金錫預(yù)成型焊片精確定位并點(diǎn)焊后，固定在合金或陶瓷殼體上，解決了傳統(tǒng)工藝存在的定位問題，并且縮短了封裝工藝流程，廣泛應(yīng)用在混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路、微波器件、傳感器、光電器件的陶瓷外殼氣密封裝等領(lǐng)域。
