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常見氣密封裝工藝與封裝方法
上傳更新:2019-07-08

摘自:半導體封裝工程師之家  2019年7月6日 

一、氣密封裝簡介   

一種真正的氣密封裝將在無限的時間內都能防止污染物(液體、固體或氣體)的侵入,然而這并不現實。甚至在最好的密封結構里,擴散現象隨著時間的延長總會出現,使得很小的分子(如氦或水蒸氣)穿透阻擋材料,最終在封裝內達到平衡。氣密封裝定義為:在這種封裝里壓入氦氣后,其氦的漏率低于某一規定的速率(具體數值與封裝尺寸有關),如下表1

 


氣密封裝必須是金屬、陶瓷、玻璃。有機封裝或用一種有機物(塑封料或者塑料)密封的封裝可能一開始可以通過表1壓力實驗,但是他將允許水蒸氣來回通過并不斷地從大氣進入到封裝體內部,因此他們并不是真正的氣密封裝。穿過金屬封裝的互連可以利用膨脹系數與金屬匹配的玻璃形成的玻璃與金屬密封進行絕緣。

  氣密封裝允許把電路安裝在密封的充入良性氣氛的環境中—一般是充入氮氣,他可從液氮得到。這種氮氣非常干燥,水汽含量小于百萬分之十(10ppm)。為了進一步預防水汽的侵入,在密封前敞開的封裝(電路已安裝在內腔里)要在真空中加熱到較高的溫度(通常是150攝氏度)來去除吸附的水汽和其他氣體。出于高可靠性的考慮,封裝內部的水汽含量不得超過5000ppmv(體積的千分之五)。這一數值低于0攝氏度時的露點(6000ppmv即體積的千分之六),從而保證了凝結的任何水都將以冰的形式存在,這樣就不會引起液態水所造成的損傷。

  氣密封裝防止了污染,可以大大提高電路的可靠性,特別是有源器件的可靠性。一個有源器件對很多潛在的失效機理都很敏感,例如腐蝕,可能受到像蒸餾水、去離子水那樣的良性物質的侵蝕,他們會從鈍化的氧化物中浸出磷而形成磷酸,從而又會侵蝕鋁鍵合鍵盤。

二、氣密封裝-金屬氣密封裝與密封方法

金屬封裝主要是由ASTM F-15合金,即Fe54-Ni29-Col7合金(通常所說的可伐,Kovar)制成的。所謂腔體式封裝是F-15合金板在一組連續的沖模上通過加工成形制成的。再在插入式封裝的底部或扁平式封裝的側墻沖制出為引線而設置的孔。然后在封裝體上生長出一層氧化物。將硼硅酸鹽玻璃(一般是Corning7052玻璃)絕緣子穿在引線上,放在封裝體的孔中。將該結構加熱到玻璃的熔化溫度以上(大約500攝氏度)形成一種反應性的金屬-玻璃密封封接。熔融玻璃溶解一部分合金上的氧化物(主要是氧化鐵),這些氧化物在冷卻時提供鍵合(如圖2),用這種方法形成的玻璃-金屬封接有不同的四層:金屬、金屬氧化物、溶解在玻璃中的金屬氧化物、玻璃。

玻璃-金屬封接完成后,沒有被玻璃覆蓋的氧化物必須去除,然后對金屬表面進行電鍍以保證封裝能夠被密封,并可使封裝的引線可以焊接到下一個更高級的組裝中。主要的電鍍材料是點解鎳,而經常在鍍鎳的表面鍍金以幫助密封和放置腐蝕。封裝引線需要鍍金以保證引線鍵合和提高可焊性。盡管化學鍍鎳有較好的可焊性,但是當引線彎曲時容易破裂。

用這種方式完成的玻璃-金屬封接提供了一種優良的氣密封接,玻璃與F-15合金的TCE(大約5.0x10-6/℃)非常匹配,使得封裝溫度循環和溫度儲存過程中仍能保持氣密性。

金屬封裝中通常是會用3中類型的蓋板:凸起的蓋帽、平板蓋和臺階式蓋板。這些也是用ASTM F-15合金按照與封裝相同的電鍍要求制作。凸起的蓋帽用于平板式封裝并可以進行熔焊或焊料釬焊。平板蓋是用于腔體式封裝,主要用焊料釬焊到封裝體上。臺階式蓋板是通過在F-15合金片上刻蝕出臺階,使得邊緣厚度大約為0.1mm。這種蓋板是用來平行縫焊腔體式封裝的。當這種蓋板打算用焊料釬焊時,通常將所需焊機材料的預制片事先粘接在蓋板底部四周的邊緣上。

金屬封裝常用密封方法:釬焊、平行縫焊、凸焊或者儲能焊接,詳細如下。

釬焊過程為表面清洗好的工件以搭接型式裝配在一起,把釬料放在接頭間隙附近或接頭間隙之間。當工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點溫度后,釬料熔化(工件未熔化),并借助毛細作用被吸入和充滿固態工件間隙之間,液態釬料與工件金屬相互擴散溶解,冷凝后即形成釬焊接頭。

平行縫焊是沿著蓋板邊緣滾過一對電極產生一系列搭接漢焊點實現的。蓋板和封裝殼體的對準十分關鍵,最好在密封工作腔外面完成。最好的辦法是先在蓋板與封裝殼體搭焊邊緣點焊兩個點在進行平行縫焊。臺階式蓋板對焊接過程十分有利,可以提高良品率。因為與較厚的平蓋板相比,只需要較小的功率。與其他封裝密封工藝相比,這種密封方法相對緩慢一些,但用平行縫焊密封的封裝通過磨掉蓋板邊緣很容易把蓋板開啟,由于在密封面處蓋板厚度只有0.1mm,用砂輪打磨一次就很容易做到。把分這個謊的密封面稍微拋光一下,就可以用另外一個蓋板與他可靠地密封。


某些類型的封裝帶有法蘭,可以使用稱為凸焊或者儲能焊的工藝進行焊接密封。在這個工藝中電極放在封裝殼體的法蘭周圍,打的脈沖電流通過帽蓋和封裝殼體形成焊縫。能提供每英寸長度焊縫500磅的壓力及12000A電流的大功率電阻焊設備對這些封裝是必須的。這種凸焊工藝的最大優點是加工時間短和成本低。最大的缺點在于很難再去除已密封的帽蓋以便修理內部的電路。對凸焊過的封裝再開帽蓋是一種破壞性的過程,封裝必須被替換。




三、氣密封裝-陶瓷氣密封裝與密封方法

陶瓷封裝在這里被認為是一種用與金屬封裝大致相同的方式把厚膜或者薄膜基板置于內部的封裝結構,具有可直接安裝元器件的金屬化圖形的陶瓷結構稱作多層陶瓷封裝?;旌系緶返奶沾煞庾巴ú?/span>3層氧化鋁組成。底層的氧化鋁可以金屬化也可以不金屬化,主要取決于如何安裝基板。中夾層是氧化鋁環且被粘接到帶有玻璃的底層上,引線框架夾在該氧化鋁環與帶有另一層玻璃密封的上層氧化鋁之間。上層氧化鋁環可以金屬化以便蓋板的釬焊密封,也可以不用金屬化而使用玻璃密封蓋板。

陶瓷封裝常用密封方法:釬焊密封、低熔點玻璃、其他新型,詳細如下。

陶瓷封裝密封常用的方法是釬焊密封。在封裝制造過程中,把一種難熔金屬或幾種金屬的氧化物,如W或一種Mo與Mn的合金,涂覆在密封區四周的陶瓷表面上進行燒結。燒結后,這些金屬化表面先后鍍鎳、鍍金,用ASTM F-15合金制成的蓋板以相同的方式電鍍,在氮氣?;さ穆諭ǔS肁u80/Sn20合金釬焊到封裝上。

一種比較便宜但可靠性稍差的密封方法是使用低熔點的玻璃把一個陶瓷蓋板直接密封到陶瓷封裝上。他完全避免了金的使用,因而大大降低了成本。與AuSn焊料在大約300攝氏度密封不同,玻璃密封在大約400攝氏度。玻璃密封對機械應力和熱應力有些敏感,,特別是在玻璃與封裝的界面。

這兩種方法都有一個共同的問題,這就是很難把蓋板去除進行修理,使得封裝再進行重新封裝的努力都是徒勞的。一種目前使用越來越多的可替代方法是把如前所述已電鍍過鎳和金的ASTM F-15合金環釬焊到陶瓷封裝的密封面上,然后惡意使用平行縫焊,因為他具有的容易修復的特點。這種方法常常用于多芯片封裝設計的多層陶瓷封裝。

 

 

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