金锡熔封主要特点

   金锡熔封属于合金烧结密封工艺的一种。该工艺使用金锡（AuSn）焊料环作为钎料，顺利获得将温度提升至300℃以上，使焊料熔化并经历共晶过程（共晶温度为280℃），将预先镀有镍层和镀金层的陶瓷管壳与金属盖板烧结在一起，从而形成密闭的管壳腔体。金锡熔封也常被称作低温烧结、金锡烧结密封等。

    金锡焊料在焊接强度、耐腐蚀性和抗氧化等方面表现卓越，而且在烧结过程中无需添加助焊剂，有效避免了助焊剂对集成电路芯片造成污染和腐蚀。因此，金锡焊料成为电子封装领域应用最为广泛的焊料之一。就封装质量和密封可靠性而言，金锡熔封是极为重要且常用的高可靠集成电路密封方式，其焊接成品率可达99%以上。

    在常见的金系焊料当中，如金锡（80%的Au，20%的Sn，熔点280℃）、金锗（88%的Au，12%的Ge，熔点356℃）、金硅（97%的Au，3%的Si，熔点363℃）等，Au80Sn20合金焊料的熔点相对较低，具体情况如图1所示。密封作为封装的最后一道工序，工艺温度越低，对芯片质量以及之前封装工序可靠性的影响就越小，所以Au80Sn20作为烧结密封焊料具有显著优势。在Au80Sn20系统中，共晶体富金一侧的液相曲线斜率十分陡峭，金含量的增加会使焊料的熔化温度迅速上升至320 - 360℃，因此在反应过程中，必须避免过多额外金元素干扰共晶反应的顺利完成。

图1 常见金系合金的熔点

焊料的润湿性是影响焊接质量的关键因素，通常顺利获得测定其润湿角、润湿速率或铺展性来评估可焊性。接触角越小，铺展性越高，表明焊料的流散性能越好，焊接质量也就更有保障。AuSn合金焊料具有适宜的润湿性和接触角，其铺展百分数在70% - 80%之间，封装焊接后不易出现“爬盖”现象，焊接强度高，气密性漏气速率可小于1×10⁻³Pa·cm³/s 。

在金锡熔封工艺中，涉及的主要设备、工具、材料和气氛包括金锡焊料环、管壳、盖板、密封夹具、烧结炉、还原气氛和保护气氛等。因此，对金锡熔封的控制主要涵盖以下几个方面：原材料的质量控制（包括原材料的采购、检验与保存等环节），密封工艺过程控制（涉及操作规范性、设备稳定性、程序合法性以及环境稳定性等），密封设计及控制（如压力施加方式、夹具的选用和更新等）。

    金锡熔封工艺在众多高可靠陶瓷 - 金属气密封装结构的集成电路和微波器件中得到广泛应用，该工艺具有以下优势：

1.盖板适应性强且机械性能优势：对盖板厚度没有特殊要求，封焊后机械强度高，盖板耐压能力强。

2.封装材料兼容性好：对封装材料的种类没有限制，可伐合金、铜、铝等材料均能实现气密封装。

3.封装应力小：只要选择与壳体材料一致的盖板材料，器件就能承受标准GJB548B - 2005中规定的温度循环、机械冲击等严苛使用条件。

4.耐腐蚀性能佳：无须经过任何特殊处理，就能经受盐雾试验，使器件可在腐蚀性气体（或液体）环境下长期稳定运行。

熔封质量影响因素

1.温度

    AuSn20合金焊料基于其共晶成分特性，只需很小的过热度，就能促使合金熔化。熔化后的合金具备充足的流动性和润湿性，可顺利完成与管壳、盖板镀层的浸润过程，并且合金的凝固过程同样迅速，这使得单次密封焊接周期大幅缩短。在焊接封装作业时，AuSn20的密封温度通常设定在330℃左右，相较于焊料熔点高出50℃。有研究人员给出了链式炉和真空炉烧结密封工艺的温度曲线，具体如图2所示。

图2 AuSn20焊料链式炉和真空炉烧结密封工艺温度曲线

    由图2可知，链式炉密封的典型加热周期包含快速预热期（3 - 5分钟），以及在液相温度以上维持的最短时间（3 - 5分钟）；真空炉的温度曲线则涵盖预热、升温、恒温、峰值温度、降温等多个阶段。在实际的密封操作中，需依据电路的具体特性，灵活调节烧结峰值温度和烧结时长。

2.保护气体

    焊接过程中，使用保护气体对焊接表面加以保护，能够有效隔绝空气和氧气，防止焊接表面发生氧化，从而避免对焊接质量产生影响。在此情形下，保护气氛的选择至关重要。一般会采用真空环境，或氩气，又或是氮气和氢气的混合气体作为保护气体。当使用链式封装炉时，可采用氢气和氮气按90:10比例混合的气体，也可以采用高纯度氮气。

3.镀层

    在Au - Sn系统里，共晶体富金一侧的液相曲线斜率极为陡峭。在高于共晶组成的区域，金含量仅增加3% - 5%，就能让液相温度从280℃急剧提升至450℃以上，这极有可能引发诸多气密性失效问题。在密封过程中，管壳、盖板上的镀金层会迅速熔解到金锡焊料之中，导致焊料中的金含量出现微量增加。因此，在确保金镀层具备足够浸润性和防护性的前提下，其厚度应尽可能减薄。 

    然而，如果镀镍层不够致密，或者厚度过薄，基材中的某些微量元素（例如Fe）就会显著加速合金的氧化进程。析出的Fe会形成FeSn初晶，阻碍AuSn合金的流动，进而对气密性造成不利影响 。

4. 焊料状态

    依据AuSn合金中锡的氧化原理，空气中的氧气很容易与AuSn合金里的锡发生反应，生成金属氧化物，进而在焊料环表面形成锡的氧化膜。随着环境温度的上升，合金分子的热运动愈发剧烈，分子间的碰撞概率大幅增加，这无疑加快了锡的氧化速度。所以，在金锡焊料的储存与使用过程中，务必实行抗氧化防护措施。

    在电路密封环节，焊料环表面的氧化物有一部分会溶解于AuSn合金熔液中，这会妨碍液态焊料对固体母材的浸湿，进而对封焊效果产生不良影响。由于存在浓度差，氧化物会向金属熔液内部扩散，致使氧化膜进入焊缝，最终引发各种连接缺陷。有研究报道指出，合金中的氧含量必须控制在0.5%以下，否则很难实现良好的密封效果。

5. 盖板状态

管壳和盖板的封焊区域必须保持清洁。一旦封焊区域存在玷污，其浸润性就会显著变差。在金锡处于熔融状态时，玷污处会产生气泡。在后续加热、加压过程中，气泡会不断延展直至爆破，这不仅会导致漏气问题，还可能造成金锡焊料飞溅。

常见缺陷

金锡熔封过程中，常见的缺陷如下：

1.镀层缺陷：表现为剥落、起皮、起泡、凹坑或腐蚀等问题，这些缺陷会影响镀层的保护作用与焊接效果。

2.盖板损伤：盖板出现划伤、擦伤或凹陷，会使基底金属暴露，降低盖板的防护性能，影响密封质量。

3.焊缝断点：焊缝处存在断点，破坏了焊缝的陆续在性，可能导致密封失效。

4.焊料爬盖：焊料在盖板上过度蔓延，可能影响器件的正常性能与外观。

5.焊料内溢：焊料向管壳内部溢出，可能对内部电路造成污染，影响器件的电气性能。

6.盖板偏移：盖板在封焊过程中发生偏移，导致密封不严，降低封装的可靠性。

7.密封空洞：密封区域存在空洞，会降低焊接强度，影响气密性。

8.水汽含量超标：封装内部水汽含量超出标准，可能引发腐蚀等问题，缩短器件的使用寿命。

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