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表面镀层对气密封装工艺质量的影响

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-16  浏览次数:642

常青松,姜永娜

 (中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051)

摘要:气密封装工艺技术是混合电路制造的关键技术。在可靠性要求较高的场合,对混合电路产品提出了水汽含量、漏气率和粒子碰撞噪声检测(PIND)合格率的指标要求。封装内部的多余物对电子器件的可靠性带来严重影响。主要从盒体的表面镀层方面进行讨论,分析了不同的金属化结构和不同的镀层厚度对气密封装的影响。实验表明,当封装使用的压力较大时,化学镀镍外壳的镀层容易出现裂纹,造成外壳锈蚀。外壳使用化学镀镍、电镀金结构时,其PIND不合格率较高。当镀层厚度超标时,不仅PIND不合格率较高,也会出现漏气问题。

关键词:化学镀镍;电镀镍;镀层厚度;密封;粒子碰撞噪声检测

中图分类号:TQ153.12 文献标识码:A 文章编号:1003-353X(2011)06-0483-04

引言

随着对微波电路产品可靠性要求的提高,人们对产品的封装质量提出了更高的要求。不再仅仅满足于产品的密封性,对内部的多余物的控制、内部水汽含量等方面也提出了更高的要求。以前,对提高封装质量,大多从优化工艺参数入手,对外壳的要求也仅仅满足GJB2440标准。经过实验分析,镀层质量会对封装质量产生很大的影响。本文主要从这些方面来进行分析研究。

1·常见的外壳表面镀涂

一般外壳的表面都要进行镀涂,镀层是镀镍或镀镍金。镀镍又分为化学镀镍和电镀镍。外壳的镀层一般为电镀镍/电镀金或电镀镍金/镍金复合镀层,对于储能焊封装的管帽,有的厂家选择化学镀镍,有的选择电镀镍。平行缝焊的盖板,表面镀层一般为化学镀镍、电镀镍金或电镀镍金/镍金复合镀层。

化学镀镍和电镀镍相比,具有镀层均匀、熔点低、抗蚀性好的特点。两者的比较如表1所示。表中:HV为硬度(镀态);κ为相对磁化率;ρ为电阻率;λ为热导率;t为熔点。

2·镀层对密封性的影响

2.1 镀层对储能焊封装密封性的影响

储能焊的封装方式,采用TO-8C管壳进行实验,管壳镀层为表面电镀镍金,镀层厚度为镍层3~8μm,金层1~1.5μm,管帽采用不同的镀涂工艺,一种是采用电镀镍,另一种是化学镀镍。镀镍层厚度为3~8μm。实验的目的是分析化学镀镍和电镀镍对密封的影响。

两者的封焊参数除电压略有不同外,其余参数完全相同。每种实验的数量为100只,经过实验发现采用化学镀镍的管帽封装漏气数量为4只,合格率为96%,而采用电镀镍管帽的合格率为100%。对漏气的部位进行定位,发现漏气的原因是由于封装时的熔融物飞溅造成的。熔融物也是产生PIND不合格的原因之一,这是由于镀层中的磷和部分添加剂在高温下汽化极易造成气孔或飞溅,造成产品漏气。

2.2 镀层对平行缝焊密封性的影响

储能焊是瞬间大能量单脉冲放电,而平行缝焊是一系列小能量脉冲放电,是靠焊轮滚过管壳的焊缝,从而达到密封的目的。平行缝焊比储能焊相对缓和一些。

实验的管壳是电镀镍金,以SM25为例,壳体采用电镀镍金,镀层厚度为镍层3~8μm,金层1~1.5μm,盖板采用化学镀镍/电镀金,镀层厚度为镍层3~8μm,金层1~1.5μm,封装100只产品,合格率为100%。

采用化学镀镍盖板,与电镀镍盖板相比,需要更低的能量。两种镀层对封帽的密封性几乎没有影响。

3·镀层对外观质量的影响

3.1 化学镀镍对盖板外观质量的影响

采用化学镀镍/电镀金工艺生产的盖板,在经过环境实验后镀层变色,如图1所示。原因分析:由于化学镀镍为含磷镍,如果表面的金镀层不能把镍层完全覆盖,含磷镍氧化可能会使镀层变色。

3.2 化学镀镍对管帽外观的影响

以DIP封装的外壳为例,采用化学镀镍的管帽在封装后,封帽沿处出现细微的裂纹,如图2所示。而采用电镀镍管帽,没有出现类似问题。

尽管化学镀镍有很多优势,但由于化学镀镍镀层硬而脆,在封装压力作用下,造成局部镍层产生裂纹,即使在不加电的情况下,纯粹施加压力,镀层也会产生裂纹。裂纹也和化学镀镍层厚度有关,当镀镍层厚度较厚时,出现裂纹的概率较高。目前,国内多家管壳厂家的化学镀镍层磷的质量分数一般为6%~9%,而HCCIndustries公司采用化学镀含硼镍,硼的质量分数为0.1%。化学镀含硼镍的实际效果如何,需要进一步的分析研究。

4·镀层对PIND的影响

4.1 化学镀镍和电镀镍对PIND的影响

采用储能焊封装时,使用化学镀镍的管帽,对产品的密封性影响不大,由于熔融物飞溅,会影响产品的PIND合格率。

而采用平行缝焊封帽时,使用化学镀镍的盖板,其PIND合格率也可以,比采用电镀镍的盖板略差,而使用化学镀镍、电镀金的盖板时,PIND合格率急剧下降,对封装的产品按照GJB548,方法2020进行内部多余物的分析,其PIND不合格率高达30%~40%。因此在考虑平行缝焊盒体表面镀涂时,尽量避免使用该种金属化方式。

4.2 镀层厚度对PIND的影响

即使采用电镀镍金,当镀层的厚度不同时,也会对产品的封装质量带来影响,GBJ2440A-2006混合集成电路外壳通用规范中对镀镍层和镀金层厚度的规定,电镀镍层厚度(在主平面测量或在径向上测量)应为1.3~8.9μm,引线或引出端的镀金层厚度应为1.3~5.7μm,壳体镀金层厚度应为0.3~5.7μm。一个壳体的镀层厚度监测点有内引线、基片安装区、密封区等,都应满足最小厚度要求。

盒体的内腔形状不同,电镀的均匀性也不同。厂家不同,对镀层均匀性的控制能力也不同。外壳生产厂家比较关注的镀层区域为盒体的引线、基片安装区以及盖板表面的镀层,位置如图3和图4所示。对用户而言,除这些区域的镀层厚度满足要求外,更关注的是密封区的镀层厚度。单纯测量基片安装区、外壳背面、盖板表面时,不同厂家的镀层厚度都能满足GBJ2440A-2006混合集成电路外壳通用规范中对镀镍层和镀金层厚度的要求,但当测试范围包含密封区时,不同厂家对镀层厚度均匀性的控制的差距就比较大,表2是镀层包含密封区两个厂家的镀层厚度范围对比。表中:Δd1为盖板镀层范围;Δd2为盒体镀层范围;dmax为最大总厚度。

平行缝焊的封装质量和焊缝中镀层的总厚度有关,当镀金层总厚度小于4.6μm、镀镍层总厚度小于16.0μm时,封帽后产品的PIND合格率优于95%;随着镀层厚度的增加,出现PIND不合格率的概率也在增加,当镀金层总厚度超过6μm、镀镍层总厚度达到30μm时,PIND不合格率超过20%。

5·结语

尽管化学镀镍具有抗蚀性、均匀性的优点,当其镀层偏硬,在封帽时,部分产品的镀层会出现裂纹。采用化学镀镍/电镀金工艺生产的盖板,在经过环境实验后镀层容易变色,可能由于化学镀镍为含磷镍,如果表面的金镀层不能把镍层完全覆盖,含磷镍氧化可能会使镀层变色。在封帽时,使用化学镀镍、电镀金的盖板出现PIND不合格率的概率较大,应避免使用这种镀层组合。即使采用电镀镍金,表面镀层厚度的不同,也会对产品的PIND不合格率带来不利影响,在实际生产中应加以控制。

参考文献:

[1]张允诚,胡如南.电镀手册[K].北京:国防工业出版社,1997.

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