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中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051 常青松，姜永娜
摘要:氣密封裝工藝技術(shù)是混合電路制造的關(guān)鍵技術(shù)。在可靠性要求較高的場(chǎng)合，對(duì)混合電路產(chǎn)品提出了水汽含量、漏氣率和粒子碰撞噪聲檢測(cè)(PIND)合格率的指標(biāo)要求。封裝內(nèi)部的多余物對(duì)電子器件的可靠性帶來(lái)嚴(yán)重影響。主要從盒體的表面鍍層方面進(jìn)行討論，分析了不同的金屬化結(jié)構(gòu)和不同的鍍層厚度對(duì)氣密封裝的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)封裝使用的壓力較大時(shí)，化學(xué)鍍鎳外殼的鍍層容易出現(xiàn)裂紋，造成外殼銹蝕。外殼使用化學(xué)鍍鎳、電鍍金結(jié)構(gòu)時(shí)，其PIND不合格率較高。當(dāng)鍍層厚度超標(biāo)時(shí)，不僅PIND不合格率較高，也會(huì)出現(xiàn)漏氣問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:化學(xué)鍍鎳;電鍍鎳;鍍層厚度;密封;粒子碰撞噪聲檢測(cè)
中圖分類號(hào):TQ153.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-353X(2011)06-0483-04
0·引言
隨著對(duì)微波電路產(chǎn)品可靠性要求的提高，人們對(duì)產(chǎn)品的封裝質(zhì)量提出了更高的要求。不再僅僅滿足于產(chǎn)品的密封性，對(duì)內(nèi)部的多余物的控制、內(nèi)部水汽含量等方面也提出了更高的要求。以前，對(duì)提高封裝質(zhì)量，大多從優(yōu)化工藝參數(shù)入手，對(duì)外殼的要求也僅僅滿足GJB2440標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，鍍層質(zhì)量會(huì)對(duì)封裝質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。本文主要從這些方面來(lái)進(jìn)行分析研究。
1·常見(jiàn)的外殼表面鍍涂
一般外殼的表面都要進(jìn)行鍍涂，鍍層是鍍鎳或鍍鎳金。鍍鎳又分為化學(xué)鍍鎳和電鍍鎳。外殼的鍍層一般為電鍍鎳/電鍍金或電鍍鎳金/鎳金復(fù)合鍍層，對(duì)于儲(chǔ)能焊封裝的管帽，有的廠家選擇化學(xué)鍍鎳，有的選擇電鍍鎳。平行縫焊的蓋板，表面鍍層一般為化學(xué)鍍鎳、電鍍鎳金或電鍍鎳金/鎳金復(fù)合鍍層。
化學(xué)鍍鎳和電鍍鎳相比，具有鍍層均勻、熔點(diǎn)低、抗蝕性好的特點(diǎn)。兩者的比較如表1所示[1]。表中:HV為硬度(鍍態(tài));κ為相對(duì)磁化率;ρ為電阻率;λ為熱導(dǎo)率;t為熔點(diǎn)。
2·鍍層對(duì)密封性的影響
2.1鍍層對(duì)儲(chǔ)能焊封裝密封性的影響
儲(chǔ)能焊的封裝方式，采用TO-8C管殼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，管殼鍍層為表面電鍍鎳金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，管帽采用不同的鍍涂工藝，一種是采用電鍍鎳，另一種是化學(xué)鍍鎳。鍍鎳層厚度為3～8μm。實(shí)驗(yàn)的目的是分析化學(xué)鍍鎳和電鍍鎳對(duì)密封的影響。
兩者的封焊參數(shù)除電壓略有不同外，其余參數(shù)完全相同。每種實(shí)驗(yàn)的數(shù)量為100只，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用化學(xué)鍍鎳的管帽封裝漏氣數(shù)量為4只，合格率為96%，而采用電鍍鎳管帽的合格率為100%。對(duì)漏氣的部位進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)漏氣的原因是由于封裝時(shí)的熔融物飛濺造成的。熔融物也是產(chǎn)生PIND不合格的原因之一，這是由于鍍層中的磷和部分添加劑在高溫下汽化極易造成氣孔或飛濺，造成產(chǎn)品漏氣。
2.2鍍層對(duì)平行縫焊密封性的影響
儲(chǔ)能焊是瞬間大能量單脈沖放電，而平行縫焊是一系列小能量脈沖放電，是靠焊輪滾過(guò)管殼的焊縫，從而達(dá)到密封的目的。平行縫焊比儲(chǔ)能焊相對(duì)緩和一些。
實(shí)驗(yàn)的管殼是電鍍鎳金，以SM25為例，殼體采用電鍍鎳金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，蓋板采用化學(xué)鍍鎳/電鍍金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，封裝100只產(chǎn)品，合格率為100%。
采用化學(xué)鍍鎳蓋板，與電鍍鎳蓋板相比，需要更低的能量。兩種鍍層對(duì)封帽的密封性幾乎沒(méi)有影響。
3·鍍層對(duì)外觀質(zhì)量的影響
3.1化學(xué)鍍鎳對(duì)蓋板外觀質(zhì)量的影響
采用化學(xué)鍍鎳/電鍍金工藝生產(chǎn)的蓋板，在經(jīng)過(guò)環(huán)境實(shí)驗(yàn)后鍍層變色，如圖1所示。原因分析:由于化學(xué)鍍鎳為含磷鎳，如果表面的金鍍層不能把鎳層完全覆蓋，含磷鎳氧化可能會(huì)使鍍層變色。
3.2化學(xué)鍍鎳對(duì)管帽外觀的影響
以DIP封裝的外殼為例，采用化學(xué)鍍鎳的管帽在封裝后，封帽沿處出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，如圖2所示。而采用電鍍鎳管帽，沒(méi)有出現(xiàn)類似問(wèn)題。
盡管化學(xué)鍍鎳有很多優(yōu)勢(shì)，但由于化學(xué)鍍鎳鍍層硬而脆，在封裝壓力作用下，造成局部鎳層產(chǎn)生裂紋，即使在不加電的情況下，純粹施加壓力，鍍層也會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋也和化學(xué)鍍鎳層厚度有關(guān)，當(dāng)鍍鎳層厚度較厚時(shí)，出現(xiàn)裂紋的概率較高。目前，國(guó)內(nèi)多家管殼廠家的化學(xué)鍍鎳層磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為6%～9%，而HCCIndustries公司采用化學(xué)鍍含硼鎳，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。化學(xué)鍍含硼鎳的實(shí)際效果如何，需要進(jìn)一步的分析研究。
4·鍍層對(duì)PIND的影響
4.1化學(xué)鍍鎳和電鍍鎳對(duì)PIND的影響
采用儲(chǔ)能焊封裝時(shí)，使用化學(xué)鍍鎳的管帽，對(duì)產(chǎn)品的密封性影響不大，由于熔融物飛濺，會(huì)影響產(chǎn)品的PIND合格率。
而采用平行縫焊封帽時(shí)，使用化學(xué)鍍鎳的蓋板，其PIND合格率也可以，比采用電鍍鎳的蓋板略差，而使用化學(xué)鍍鎳、電鍍金的蓋板時(shí)，PIND合格率急劇下降，對(duì)封裝的產(chǎn)品按照GJB548，方法2020進(jìn)行內(nèi)部多余物的分析，其PIND不合格率高達(dá)30%～40%。因此在考慮平行縫焊盒體表面鍍涂時(shí)，盡量避免使用該種金屬化方式。
4.2鍍層厚度對(duì)PIND的影響
即使采用電鍍鎳金，當(dāng)鍍層的厚度不同時(shí)，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的封裝質(zhì)量帶來(lái)影響，GBJ2440A-2006混合集成電路外殼通用規(guī)范中對(duì)鍍鎳層和鍍金層厚度的規(guī)定，電鍍鎳層厚度(在主平面測(cè)量或在徑向上測(cè)量)應(yīng)為1.3～8.9μm，引線或引出端的鍍金層厚度應(yīng)為1.3～5.7μm，殼體鍍金層厚度應(yīng)為0.3～5.7μm。一個(gè)殼體的鍍層厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)有內(nèi)引線、基片安裝區(qū)、密封區(qū)等，都應(yīng)滿足最小厚度要求。
盒體的內(nèi)腔形狀不同，電鍍的均勻性也不同。廠家不同，對(duì)鍍層均勻性的控制能力也不同。外殼生產(chǎn)廠家比較關(guān)注的鍍層區(qū)域?yàn)楹畜w的引線、基片安裝區(qū)以及蓋板表面的鍍層，位置如圖3和圖4所示。對(duì)用戶而言，除這些區(qū)域的鍍層厚度滿足要求外，更關(guān)注的是密封區(qū)的鍍層厚度。單純測(cè)量基片安裝區(qū)、外殼背面、蓋板表面時(shí)，不同廠家的鍍層厚度都能滿足GBJ2440A-2006混合集成電路外殼通用規(guī)范中對(duì)鍍鎳層和鍍金層厚度的要求，但當(dāng)測(cè)試范圍包含密封區(qū)時(shí)，不同廠家對(duì)鍍層厚度均勻性的控制的差距就比較大，表2是鍍層包含密封區(qū)兩個(gè)廠家的鍍層厚度范圍對(duì)比。表中:Δd1為蓋板鍍層范圍;Δd2為盒體鍍層范圍;dmax為最大總厚度。
平行縫焊的封裝質(zhì)量和焊縫中鍍層的總厚度有關(guān)，當(dāng)鍍金層總厚度小于4.6μm、鍍鎳層總厚度小于16.0μm時(shí)，封帽后產(chǎn)品的PIND合格率優(yōu)于95%;隨著鍍層厚度的增加，出現(xiàn)PIND不合格率的概率也在增加，當(dāng)鍍金層總厚度超過(guò)6μm、鍍鎳層總厚度達(dá)到30μm時(shí)，PIND不合格率超過(guò)20%。
5·結(jié)語(yǔ)
盡管化學(xué)鍍鎳具有抗蝕性、均勻性的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)其鍍層偏硬，在封帽時(shí)，部分產(chǎn)品的鍍層會(huì)出現(xiàn)裂紋。采用化學(xué)鍍鎳/電鍍金工藝生產(chǎn)的蓋板，在經(jīng)過(guò)環(huán)境實(shí)驗(yàn)后鍍層容易變色，可能由于化學(xué)鍍鎳為含磷鎳，如果表面的金鍍層不能把鎳層完全覆蓋，含磷鎳氧化可能會(huì)使鍍層變色。在封帽時(shí)，使用化學(xué)鍍鎳、電鍍金的蓋板出現(xiàn)PIND不合格率的概率較大，應(yīng)避免使用這種鍍層組合。即使采用電鍍鎳金，表面鍍層厚度的不同，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的PIND不合格率帶來(lái)不利影響，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加以控制。
參考文獻(xiàn):
[1]張?jiān)收\(chéng)，胡如南.電鍍手冊(cè)[K].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997.
