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平行缝焊工艺抗盐雾腐蚀技术研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-19  浏览次数:938

 李茂松,何开全,徐 炀,张志洪

(中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆400060)

摘 要:抗盐雾腐蚀是提高集成电路封装可靠性的重要手段之一。根据金属腐蚀机理,通过优化封焊工艺和AuSn合金焊料平行缝焊封盖工艺,以及在封盖后再次进行电镀修复损伤等措施,提高了平行缝焊集成电路的抗盐雾腐蚀能力。

关键词:集成电路封装;抗盐雾腐蚀;平行缝焊

中图分类号: TN305.94文献标识码: A文章编号:1004-3365(2011)03-0465-05

1·引言

平行缝焊封盖集成电路在潮湿、盐雾等各种恶劣环境下出现的焊边锈蚀,是影响集成电路长期可靠性的重要隐患。解决集成电路封装金属部分的盐雾腐蚀问题是目前高可靠封装领域的重要课题。

针对单片陶瓷-金属封装集成电路抗盐雾产品,目前普遍采用金锡合金焊料(Au80Sn20)熔封封盖方式。这种封盖工艺不会破坏外壳表面的保护镀层,只要外壳封盖前能通过盐雾考核,则产品也可满足抗盐雾要求。但熔封工艺在封盖时需要对器件进行整体加热,器件承受的温度至少要大于Au80Sn20焊料的玻璃相转换温度280℃,因为这一温度下会造成粘结电路芯片剪切强度失效以及水汽含量超标。采用平行缝焊工艺进行抗盐雾腐蚀电路封装,可以有效控制管壳整体温升,降低内腔杂质气氛排放和生产成本,提升产品封装质量与可靠性,满足大腔体全金属混合电路及粘结芯片的封装要求。

2·盐雾腐蚀机理分析

平行缝焊集成电路盐雾试验出现的锈蚀主要为盖板焊边腐蚀,其产生原因主要是盖板缝焊后焊边保护镀层损伤使基材暴露在盐溶液环境下,形成原电池腐蚀。通常,盖板使用的基材为可伐合金,它由铁(53%)、镍(29%)、钴(17%)以及其他微量元素组成。由于合金本身含铁量较高,不能抵抗盐雾腐蚀,因此必须在表面加保护镀层来提高防腐蚀能力。图1所示为平行缝焊盖板材料结构。

平行缝焊集成电路外壳金属部分产生腐蚀的原因在于外壳表面裸露的两种金属之间由于电位差而形成电偶对,这些电偶对是一个一个的原电池系统。原电池的形成与金属的特性密切相关,金属化学性质越活泼,其标准电极电位越低,就越易被腐蚀。几种常用金属外壳材料在25℃下的标准电极电位(电动序EMF)为:

VAu(+1价)=+1.68 V,VNi=-0.25 V

VFe(+2价)=-0.45 V

外壳表面异种金属之间可能构成电偶电池对的电位差为:

VAu/Ni=+1.93 V, VAu/Fe=+2.13 V

VNi/Fe=+0.20 V, VAuNi/Fe=+2.38 V

从以上数据可以看出,金属铁的标准电位最低其他金属与之形成的电位差较大。因此,铁是最易被腐蚀的,并且铁在空气中易与氧发生反应,生成氧化铁锈蚀物。金的化学性质最稳定,镍在空气中其表面快速生成氧化膜,也不易被腐蚀。因此,产生盐雾腐蚀必须要有两个基本条件,第一个要有电位差如基体金属电位明显低于镀层金属电位,它是产生腐蚀的原动力;另一个必备条件是要有腐蚀通道,即镀层孔隙或损伤。

根据金属锈蚀机理,可以从以下途径开展平行缝焊产品抗盐雾腐蚀技术研究:1)控制表面镀层与基材的电位差,消除腐蚀原动力;2)增加镀层致密度,减小孔隙腐蚀;3)控制表面损伤,防止原电池形成;4)减小封装应力,抑制应力腐蚀。

3·抗盐雾腐蚀技术研究

平行缝焊工艺是一种电阻焊,其原理是通过两个带电的电极滚轮在外壳的两个缝焊边滚动,形成一个电流回路,在电极与盖板接触处的大电阻区产生焦耳热,并在一定的焊接能量下,使焊点温度到达盖板的熔点,从而完成对盖板与基座的密封焊接。平行缝焊工艺本身在缝焊过程中会对金属盖板焊边保护镀层造成不同程度的损伤,使焊边基材失去保护作用,暴露在空气环境中。这样,在盐雾试验环境下,不同电位的金属将形成原电池系统,从而在焊边产生局部锈蚀点。因此,解决平行缝焊产品盐雾腐蚀问题,重点是研究如何控制封焊过程对焊边造成的损伤。

3.1优化封焊工艺

根据盐雾腐蚀机理,只要消除产生腐蚀的两个基本条件,则可确保产品达到抗盐雾腐蚀的要求。针对可伐盖板平行缝焊工艺,通过对电镀工艺的改进和封焊工艺参数的优化,研究提升其抗盐雾能力的方法。

为了解决外壳本身封盖前的抗盐雾问题,针对镀镍镀金盖板镀层较薄、表面孔隙较多的问题,对盖板采用多层电镀方式,即在镍金镀层上再镀一层镍金,使金与镍的晶格错位排列,并有效减小外壳表面镀层的孔隙率,消除腐蚀原动力,如图2所示。

3.1.1 优化封焊工艺参数

平行缝焊工艺主要控制参数有焊接功率、脉宽、周期与速度,它们与焊接能量的关系如下:

从(1)式中可以看出,功率、脉宽与焊接能量成正比,周期、速度与焊接能量成反比。为了研究焊接功率、焊接脉宽、焊接周期和焊接速度与产品抗盐雾能力的关系,以陶瓷金属双列直插式外壳D16S为研究对象进行工艺分析。试验设备采用M2400平行缝焊机,共分三组试验,每组样品数量5只,A、B、C三组采用不同功率、脉宽、周期和速度,A组功率和脉宽均大于其他两组,B组功率最小,C组脉宽最小,每组参数确保单位长度焊接功率相同。

样品封盖后检漏全合格,按照GJB548B方法1009.2的试验条件A投入盐雾试验。三组样品中,以腐蚀面积小于5%作为合格判据,结果如表2所示。

从三组试验结果看,虽然每组都不能达到抗盐雾封装要求,但通过优化工艺,盐雾合格率得到明显提升。在三组中各抽取1只代表性样品进行盐雾试验分析,如图3所示。

根据试验结果分析,A组功率与脉宽均比其它两组大,从焊接后焊边分析来看,其表面明显较粗糙,粗糙度较大的点在盐雾后出现锈蚀。B组功率较小,脉宽适中,焊接后焊边光滑,焊点致密,盐雾试验后只有极小的锈蚀点,完全满足抗盐雾要求。C组功率偏大,焊边熔化较深,基材暴露较多,也存在部分锈蚀点,不能确保所有产品均能达到抗盐雾要求。在150倍显微镜下对B组样品焊边的显微图像如图4所示。

从以上分析可以看出,平行缝焊工艺参数对抗盐雾有较大影响。进行了大量对比试验分析,得出结论:焊接功率与脉宽越大,对焊接损伤越严重,产品抗盐雾效果越差。因此,对抗盐雾腐蚀的产品,在保证焊接气密性的情况下,应尽量采用低脉宽、低功率焊接,这样可使焊边在焊接后达到表面光滑平整,尽量减小对保护镀层的损伤。

3.1.2 优化焊接工艺技术

抗盐雾产品在焊缝过程中,需要剔除焊框焊区有凹凸、深划痕、毛飞边,盖板凹凸不平、缺损、毛刺大的管壳,这些缺陷都会对抗盐雾产生影响。电极材料必须控制在一定的硬度指标,不能因电极磨损沾污焊边,同时,电极表面必须保持光洁度;缝焊过程中,电极出现电蚀或明显的磨损后必须即时更换。

电极锥度控制在13°~15°较为理想。采用小锥度电极,使电极与盖板焊框接触面增大,拐角电场及热集中减弱,打火和过热烧蚀减轻,但小锥度电极会使焊缝变宽,增加焊边损伤面积,造成焊边不光滑、电极磨损快等缺点。

由于平行缝焊工艺在盖板角部存在一个引导边焊接,因此通常在角部进行两次焊接,而且拐角处的热场明显大于其他位置,如图5所示。

采用常规焊接技术缝焊的产品,在盐雾试验后,可以看出在四个角部区域出现明显的锈蚀点,如图6所示。

为了解决角部的锈蚀问题,在焊接程序中,通过把每边开始与结束位置1 mm处的焊接功率降低50 W,则可通过降低角部的焊接能量来减小角部的焊接损伤,且角部经过重复焊接后,对气密性不会有影响。图7所示为焊接过程中功率调节示意图,上面线段为焊接功率,下面线段为焊接周期。

图8所示为角部功率进行调节后样品的盐雾试验结果,从图中可以看出,角部的锈蚀得到明显改善。

通过工艺的优化,可以减小平行缝焊产品焊边的盐雾锈蚀面积,在不增加封装成本和工艺更改的情况下,提升产品的抗盐雾能力。

3.2 Au80Sn20合金焊料封盖

带AuSn合金焊料环的盖板,其封盖原理通常是通过熔封炉加热整个外壳,当炉温达到或超过焊料的玻璃转换温度时,使焊料熔化后在基座封接环的金属化区产生均匀致密的焊料浸润,形成气密性焊接。由于金具有很高的化学稳定性,Au80 Sn20合金焊料中金的含量高达80%,焊料熔化后在盐雾环境下不会产生任何锈蚀。由于熔封封盖工艺本身不损伤其表面镀金层,因此只要在封盖前外壳能通过盐雾试验考核,封盖后也一定能通过盐雾考核。

熔封工艺封盖存在许多缺陷,不能满足某些特定的高可靠封装要求。采用平行缝焊工艺进行AuSn合金焊料封盖,不仅能解决封装可靠性和内部杂质气氛排放问题,同时也是解决陶瓷金属封装外壳抗盐雾的有效手段之一。

采用平行缝焊工艺进行AuSn合金焊料封盖,其原理是采用平行缝焊设备触发的脉冲电流,使盖板上所带的焊料环在电极脉冲能量的作用下发热熔化,形成熔焊。而通常使用的不带焊料环的缝焊是把盖板本身的镀层或基材熔化形成密封焊接,所以两者采用同样的工艺,但焊接原理是不一样的。对焊料采用缝焊工艺,可通过控制工艺参数、焊接电极角度与光洁度,使盖板表面镀层在缝焊过程中不会受到太大的损伤,从而保证平行缝焊AuSn焊料盖板的产品具有抗盐雾能力。

图9所示为采用平行缝焊工艺焊接的带AuSn焊料环盖板封盖后的盐雾试验结果。从图中可以看出,封帽工艺对焊边基本上没有明显的损伤,同时,盐雾试验后也没有出现锈蚀点。对此种工艺进行了大量试验,其样品均能通过盐雾考核。

3.3 采用封盖后再次电镀

平行缝焊与储能焊工艺对焊边的损伤是不可避免的,通过工艺只能控制损伤大小,并不能从根源上解决焊边损伤问题。为了彻底解决封帽后电路抗盐雾问题,提出了一种对封盖后的电路再次电镀的方式,以修复封盖工艺对焊边造成的镀层损伤。方法是在产品封盖后投入电镀工艺,再次在电路表面镀一层金,然后再把电路投入筛选考核。图10所示为平行缝焊样品再次电镀后的盐雾试验结果。从试验结果看,通过再次电镀后,外壳都能满足抗盐雾的要求,因为这种附加工艺彻底修复了焊接过程对焊边造成的损伤,使暴露的基材得到有效的保护。由于再次电镀需在引脚加电,对某些电路可能会影响其性能,因此,采用再次电镀技术抗盐雾,必须充分评估在通电情况下电镀可能对器件性能造成的影响,且这种方式会增加封装成本。

4·结论

平行缝焊产品焊边损伤后形成的镍-金等原电池是产生盐雾腐蚀的原动力。为了控制焊边原电池的形成,本文从平行缝焊工艺原理出发,提出工艺优化、熔封外壳平行缝焊、封盖后再电镀三种抗盐雾措施。第一种是工艺优化法,主要用于解决全金属封装的混合电路类大表面积外壳产品的抗盐雾腐蚀问题,对金属-陶瓷封装产品可控制性较差;第二种是熔封外壳平行缝焊法,主要用于解决陶瓷-金属封装产品抗盐雾问题,不能用于全金属封装产品;第三种是封盖后再次电镀法,可以解决所有金属和金属-陶瓷封装产品抗盐雾腐蚀问题,但需要增加生产成本,而且对电路会造成潜在的性能影响。

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作者简介:

李茂松(1963—),男(汉族),四川射洪人,工程师,工学学士,主要研究方向为半导体封装工艺。

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