MCM-C金属气密封装技术第6卷,第9期V ol6NO9电子与封装ELECTR0NICS&PACKAGING总第412006年9川综述MCM—C金属气密封装技术何中伟,李寿胜(华东光电集成器件研究所,安徽蚌埠233042)摘要:在介绍MCM—C常用金属气密封装方法的基础上,重点对MCM—C封装中工程实用性强,应用较多的平行缝焊密封工艺技术,链式炉钎焊密封工艺技术以及密封前的真空烘烤技术进行了较深入的研讨实验结果表明,采用文中所述的MCM—C金属气密封装技术所封装的金属外壳封装MCM—C,一体化PGA封装MCM—C产品,在经受规定的环境试验,机械试验后,其结构完整性,电学有效性,机械牢固性,封装气密性均能很好地满足要求.关键词:MCM—C;金属气密封装;平行缝焊;钎焊;真空烘烤中图分类号:TN305.94文献标识码:A文章编号:1681—1070(2006)09—0001—06 MCM-CHermeticallyMetalSealingTechniquesHEZhong—wei,LIShou—sheng(EastChinaInstituteofPhoto—ElectronICBengbu233042China)Abstract.OnthebasisoftheintroductionofMCM—C'Scommonhermeticallymetalsealingmethods,the paperputsstressontherelativelydeepgoingstudiesinparallelseamsealingprocesstechnique ,beltfurnacebrazingsealingprocesstechniqueandpre—sealingvacuumbakingtechniquewhichareveryengineeringpracti—calandarewidelyusedinMCM—Cpackaging.Ourexperimentsindicatethat,afterasetofnecessaryenviron—mentalandmechanicaltests. themetalpackagesealedMCM—CandintegralPGApackagedMCM—Cprod—uctsusingtheMCM—Chermaticallymetalsealingtechniquesstatedinthispaperareabletomeettherequire—meritsverywellintheirstructuralintegrity,electricalefficiency,mechanicalfirmnessandsea linghermetization.Keywords:MCM—C:hermeticallymetalsealing;parallelseamsealing;brazing;vacuumbaking1引言封装可以简明地定义为对电子器件进行互连,加电,保护和散热¨.气密封装通常采用由金属,陶瓷,玻璃等材料制成的带腔体的外壳,外壳在被封盖后能使安装于其内的电子元器件与外界环境相隔离,阻止有害液体,固体特别是气体污染物的侵蚀或渗透入内,保证产品的长期可靠性.绝对意义上的完全气密即俗称的"不漏气",在收稿日期:2006—03—06实际封装中是不存在的.随着时间的推移,小的气体分子将通过扩散和渗透进入到封装中,这些气体最终将在封装腔体内达到平衡.由于这种渗透相当缓慢,所以在应用中仍能使封装器件得到较长的寿命.一般认为, 当封装的氦(He)漏气速率.小于5×10～Pa?cm?s.(对腔体容积<0.4cm)或1×10～Pa?cm?s.(对腔体容积≥0.4cm,206kPa加压4h后}贝4试)时为气密封装.适用于MCM—C(陶瓷多芯片组件)的封装,按材料分主要有以A1N,A1O为代表的陶瓷封装和以柯一1一第6卷第9期电子与封装伐,无氧铜,不锈钢为代表的金属封装.陶瓷封装由多层基板,密封环(或窗框,腔壁),盖板和引出脚等部分组成,I/O端子制成BGA,QFP,LCCC等表面安装型或PGA,DIP等通孔插装型;金属封装制成双列/多列直插引线浅腔盖板型,平台管帽型或侧翼引线扁平盖板型外壳,用玻璃珠熔融密封和绝缘I/O引线孔¨,.在高真空,高温环境下充分烘烤去除内部湿气和杂质后,MCM—C要通过最终的密封工艺实现气密性封装.常见的MCM—C密封技术有锡焊,钎焊,平行缝焊,电子束焊,激光焊,电阻焊(凸点熔焊,点焊,贮能焊),冷焊等,,6.目前,我们结合自身的工艺条件,MCM—C的封装主要采用将LTCC基板安装入金属外壳内的气密封装(简称"McM—c金属外壳封装")和LTcc基板与外壳腔壁,PGA钉头引线一体化钎焊的气密封装(简称"PGA型MCM—C一体化封装")两种主要方式.本文在介绍MCM—C常用金属气密封装方法的基础上,重点研讨了在MCM—C封装中'l-.程实用性强, 应用较多的平行缝焊密封工艺技术,链式炉钎焊密封工艺技术以及密封前的真空烘烤技术.2MCM—C常用金属气密封装方法金属气密封装由于在最严酷使用条件下具有杰出的可靠性而被广泛用于特殊用途.封装体积不小于0.1cm 的金属气密封装一般采用熔焊,锡焊(或钎焊)工艺实现壳体与盖板的封接,5们.熔焊是通过加热将壳体和盖板这两个金属构件直接熔接在一起,热可以在高阻金属上通过电流(缝焊), 激光束聚焦(激光焊),电子束聚焦(电子束熔焊)或直接加热(凸点熔焊)产生.锡焊,又可称为钎焊,共晶焊,焊料焊等,是在壳体和盖板的密封区域之间放入含锡的合金预制片,加热到熔点温度后形成共熔/共晶,将壳体和盖板密封焊接在一起.封装用锡焊焊料一般预先制作成合金焊片,主要有两种类型:一种为低熔点的软焊料,最常用的是熔点为183%的Sn63Pb37合金焊片;另一种为较高熔点的硬焊料,最常用的是熔点为280℃的Au80Sn20合金焊片.根据加热方法的不同,锡焊/钎焊常有下列4种焊封二I艺:①手工焊:手持烙铁加热熔化焊料进行密封,一2一一般只适于用软焊料的焊接;②链式炉焊:遵照焊料的再流焊接曲线,在N,气氛的链式炉(又常称为带式炉)中完成封装的密封焊接;③锡缝焊:采用缝焊设备(平行缝焊机),当大电流脉冲流过盖板时,对盖板与壳体问的焊料预制片进行电阻加热而使其再流熔化,实现封装的密封焊接;④压板焊:先对其内有置于一个水冷夹具中的"壳体一焊料预制片一盖板"封装组合的焊接操作腔室抽真空后回充N,,再在盖板上压持住压板,提高压板温度使焊料熔化,同时稍稍加大操作腔室的N,压力,以抵消封装内部气体膨胀造成的压力增加而维持盖板压向焊料的正压,从而使封装实现无焊料凸起的均匀焊缝密封焊接.熔焊具有_T作速度快,成品率高(接近100%),重复性好,工艺参数易控,可靠性高等优点,是最为流行的金属气密封装方法,其中又以平行缝焊工艺应用最多;锡焊封装极易去掉盖板而进行返工,但必须采用越来越高的温度,熔点低一些的较软焊料允许次数更多的返,严重的锡焊封装泄漏可通过较高温度下的焊料再流进行弥补,链式炉锡焊适于连续的大批量产品密封.我们根据已有条件,对常用柯伐合金双列/多列直插引线浅腔盖板型金属外壳,一体化PGA外壳的气密封装,主要研究采用平行缝焊熔接—r艺和链式炉钎焊工艺,分别实现金属外壳的柯伐合金底座与盖板之问,一体化封装的柯伐合金外壳腔壁与盖板之问的气密封口3平行缝焊密封工艺高可靠金属气密封装的最常用方法是熔焊口】.在熔焊中,电,光等高能脉冲可将局部金属加热到1000%～1500%,足以使外壳壳体和盖板上的局部镀层和金属熔融而焊接成一体,局部加热还可以防止封装外壳内部元器件的损坏.平行缝焊是一种最受欢迎,采用最广泛的金属气密封装熔焊工艺.如图1所示,在平行缝焊机中的载片台上,使四周边沿对齐的柯伐合金壳体和盖板位于一对同轴相对的切顶圆锥形铜合金电极下,两电极在盖板顶面的两个平行外边缘上滚动的同时,一电极送出来自于缝焊机电源的恒定频率连续大电流脉冲,该第6卷第9期何巾伟,李寿胜:MCM—C金属气密封装技术恒定电流脉冲先流过一电极锥面与盖板边缘的接触点,N-N向流过盖板后通过盖板另一边缘与另一电极锥面的接触点,经该电极输出回到缝焊机电源.恒定电流脉冲l卜l(缝焊机电源)1(铜)JI(柯伐)外壳壳体(柯伐)电极(铜)恒定电流脉冲图1金属封装MCM—C的平行缝焊连续电流脉冲产生的热能集中在通路中的最高电阻处即电极锥面与盖板的两个接触点上,极高的热能密度使这两处壳体I.孑盖板的局部金属体(柯伐合金)及其镀层迅速加热至约1500~C而熔合在一起,封装体的其余部分尚来不及被加热到高温;随着电极在盖板上的滚动及持续大电流脉冲的供给,在各接触点区域形成部分重叠的熔斑,从而在封装的顶面边沿上得到两条平行的连续熔焊致密焊缝;在电极通过封装的两平行边后,使封装转动9O.,同上焊接,获得另两条平行的焊缝,两对平行焊缝在起,止点处相互重叠,最终使盖板顶面为矩形的金属外壳或一体化PGA:g[-壳被气密封装起来.对于盖板顶面为网形的直插引线浅腔盖板型金属外壳或一体化PGA外壳,采用平行缝焊T艺进行气密熔封时,只需使两个通有连续大电流脉冲的同轴电极在盖板顶面的圆周边沿L相对于壳体与盖板完成≥180.的网弧运动即可;对于侧翼引线扁平盖板型金属外壳,除承载外壳的夹具不外,其平行缝焊气密熔封方法与直插引线浅腔盖板型外壳方法完全相同;对于直插引线平台管巾冒型外壳,采用平行缝焊r:艺进行气密熔封时,只需保证管rNrN沿的宽度(深度)足够大,使电极在巾li沿卜滚动时不致于与管rb~J't"壁相互干涉即可.缝焊时,电极移动的速率,电流脉冲的强度和持续时间,脉冲之间的时问问隔,电极对盖板的压力,电极移动的距离等T艺参数都是受缝焊机程序自动控制的,优化调节好这些参数,就可以用最小能量获得重叠最佳的焊道和最可靠的封装气密性.电流,流过电阻时,产生的热能正比于,.因此,平行缝焊金属外壳所需的总热能如式(1)t61所示:PT=(×Rc)×={【(,p÷8)×(PW÷PRT)】×Rr}×(1)式(1)中,P为总热能(W?S);,为恒定电流脉冲的峰一峰值(A);PW为电流脉冲宽度(ms);PRT为电流脉冲周期(ms);R为电极与盖板边沿的接触电阻(Q);为外壳缝焊总时间(S),等于外壳密封周长(mln)除以电极移动速率(mln?s.). MCM—C平行缝焊的关键要求之一,是使用最小的总能量输入使熔焊局部的金属达到熔化温度的同时保持产品其他部分的温度尽町能最低.用MIO00型平行缝焊机熔焊镀金的柯伐合金盖板和壳体,使熔焊局部温度达到约1500%而封装其他部分的温度不高于100~C, 主要_[艺参数的典型值应为:Ip=700A～800A,PW=20ms,PRT=60ms,电极移动速率=25.40mm?S..～30.48mm?S～,电极对盖板压力=2.94N～3.92N一般地,盖板的长,宽尺寸应对应小于壳体长,宽0.05mm～0.1mm且台阶形盖板的边缘区厚度或薄板形盖板的厚度应为0.1mm～0.15mm,以使电流和热能能够集中在盖板边缘区而较快地狭得更可靠的密封:对于镀金或镀镍的柯伐合金(Fe54Ni29Co17)直接平行缝焊熔焊,焊区局部温度应达到约1500℃;对于用Au80Sn20,Sn63Pb37合金预制片的平行缝焊锡焊,在密封界面处的温度则分别应至少达到300~C, 200.采用平行缝焊时,以下几点值得注意:①盖板厚度.盖板越厚,形成熔焊所需的电流越大,整个封装也将变得越热?为获得最佳平行缝焊熔封效果,盖板边缘厚度应为0.1mm～015mm;为保持封装有较大强度,盖板中心区域厚度则应为025mm～0.4mm.②电极磨损.因为产生熔焊的电流也通过电极及电极的支撑件(如电极轴承,电极轴套等),将影响这些部件的使用寿命,所以应定期检查其磨损情况,及时进行更换.③封装材料.平行缝焊熔焊的原理属于电阻焊,要求由两种高电阻,低导热的金属材料组成熔焊点,因此柯伐合金的盖板和壳体很容易被熔焊,而电阻率低,导热快的铜,铝等金属则基本上不可能直接被平行缝焊熔焊-④封装形状.平行缝焊机仅能用于密封盖板为矩形板或圆形板的封装,不规则形状的部件必须用激光熔焊,电子束熔焊或焊料锡焊(缝锡焊除外)进行金属气密封装,不要求高气密性时也可采用环氧树一一第6卷第9期电子与封装脂粘接进行密封.4链式炉钎焊密封工艺在链式炉(带式炉)钎焊密封工艺中,剪裁好的焊料合金预制片被插在盖板与壳体的密封面之间,用夹具压紧,随着炉带的传送,合金焊料在炉中相继经历"预热-升温-共熔/共晶-降温-冷却"等状态,形成致密的焊缝,从而将产品气密封装起来.影响链式炉钎焊密封工艺质量的两个最主要因素是钎焊曲线和炉膛气氛.要产生可靠的密封,必须精确控制链式炉温度曲线.因为每种壳体与盖板组合都有其不同的材料,工艺状态,所以密封界面的温度与炉子温度会有所不同,因而必须通过逐步调节炉温来得到正确的界面温度.一种典型的炉温曲线至少包括预热,保温和冷却三个阶段: 部件被缓慢加热(防止热冲击)至焊料的液相(熔融)温度;在高于熔融温度40℃～80℃的峰值温度区保温3min～5rain以允许合金焊料充分流动和浸润;然后冷却至室温.用Au80Sn20预制片链式炉钎焊密封一种柯伐合金封装的炉温曲线如图2121所示.350300250200赠15010050峰值345~C,一一l/L.一≧mini—J\f～j……}\7口预热出口脾温\.——■—_——+ 012345678910时间/min图2金锡预制片链式炉钎焊密封典型温度曲线链式炉炉膛内应连续注入高纯度(氮含量不小于99.95%,氧含量不大于100×10),干燥(水蒸气含量不大于50×10)的N,使部件在惰性气氛中密封.进入炉腔中的空气,氧气及水蒸气都将引起氧化发生,阻止焊料浸润而不能可靠熔焊;湿气,氧气滞留在密封了的产品内,还会降低长期可靠性.链式炉钎焊密封更多地使用Au-Sn,Au-Ge等硬焊料而很少使用sn-Pb这样的软焊料.一是因为sn-Pb合金的焊接强度不及Au-Sn合金的一半;二是因为Au.Sn的耐腐蚀性明显优于Sn-Pb;三是因为sn-Pb焊.4.料极易氧化,不但使用过程中要贮存在干燥N,环境中,而且在焊接时一般要使用助焊剂,难以防止助焊剂进入封装内,从而引起内部元器件的腐蚀并导致锡珠跌落在器件有源区卜形成短路.采用链式炉钎焊密封,要得到高的合格率就必须小b处理许多变量.从图3的金-锡合金相图可以看出,共熔合金中金-锡的比例适当(含金量约80%)时密封(熔融)温度最低(约280℃),封装中的元器件及材料所受的高温不良影响最小.为了达到良好的表面浸润性和腐蚀防护,柯伐合金壳体与盖板的金属密封带必须有纯金镀层.随着合金焊料的熔化,它将熔解一些金镀层中的金,从而提高熔点温度,而在Au-Sn系统(图3)中共晶体的富金一侧有非常陡的液相曲线斜度,在高于共晶组成处,金含量仅增加3%～5%就可使液相温度从280~C提高到450℃以上,进而引起许多气密性失效,金镀层越厚,情况越严重.所以金镀层在保持足够浸润与防护性的前提下,厚度应尽可能最小.\赠{l}llll066/……～…～…………l……一…一…………ll广…—0一≦诵Ill{li{;/l…………一…………/一≦_一一茹J一....'～毒鹋参…\/一乏Z一l80iI{{{{l{i;{{金的重量自分数/%图3金-锡合金相图焊料预制片的厚度和壳体与盖板的平整度是相互关联的.若壳体与盖板的金属表面很平整,焊料不需要很厚就能完全浸润;然而在密封区有缝隙存在时,就需很多焊料才能实现气密封装;必须通过多次试验,才能得到最佳焊料厚度.如果不能很好控制平整度,密封的成品率将有大的变化;在某些情况下,平整度不够可用焊封时盖板对壳体夹紧的压力来补偿.表1,概括了链式炉钎焊过程中影响可靠密封形成的原因.5MCM—C密封前的真空烘烤技术经验表明,工作期间电子元器件表面凝结的水是导致应用失效的主要原因.由于Ic的几何形状极小,第6卷第9期何中伟,李寿胜:MCM-C金属气密封装技术盖板和壳体镀金冶金焊料预制片体积学的壳体和盖板的清洁度封盖前壳体预热盖板和壳体的平整度壳体,盖板,夹具的重量机械的盖板的柔软性焊料预制片粘附传送带速度峰值温度钎焊炉出现凸弧状焊缝气氛的湿度和氧含量氮气流速金熔解使熔融温度上升对周嗣区域进行不必要浸润越清洁越好,但过分清洗会产生腐蚀因基体金属扩散引起弱浸润越平整越好较长的炉子预热区和/或较长的炉子冷却区易受外力变形定位焊或键合,易操作壳体/盖板难达熔融温度焊料爬上盖板,损坏硅元件可能密封,也可能不密封浸润性不好浪费氮气浸润困难很难得到完全的密封阻碍焊料的浸润(无)较厚的焊料预制片和威必须使用弹性夹具(无)不平整时很难补偿预制片错位的几率大损坏硅元件,焊料过量流动焊料流动不好密封可能成问题越少越好浸润差因此金属结构之间不同的电位和高电场的存在都会使器件易于与水相互作用.电子产品封装腔体【人J的潮气有种来源:①密封气氛;②外部潮气通过封接处渗入;③来自密封材料,壳体,盖板,基板,粘接材料及封装腔体内所组装的元器件上吸附及溶解的水份.如前所述,产品的密封过程在于燥气氛(如水汽含量小于50×10)中完成,实现高气密的封装(如金属熔封,锡封等),可以较好地控制_I二述前两种潮气的量,而最后一种潮气则应通过密封前的烘烤来解决.真空烘烤是去掉吸附的湿气的有效方法,而且对去除电路中其他挥发『生材料的放气也很有效,特别是从环氧粘接剂中挥发出来的气体.虽然密封前的真空烘烤是一道很重要的工艺,但却很难标准化出一个适用于所有类型IC,HIC或MCM的最佳真空烘烤参数,这是因为使用的材料和器件,环氧的类型和数量以及制造商所用的工艺条件都有所不同的缘故.因此,制造商都按他们自己的经验建立真空烘烤工艺参数.选择真空烘烤一T艺参数的主要标准是密封封装必须满足的湿度要求.真空烘烤所用的烘箱应该能保持至少150~C的温度和50m汞柱的真空.对于平行缝焊熔焊,一般都将该烘箱连接到一个内部充满N,的正压力气氛干燥箱(缝焊操作箱)上.密封的操作箱有双通道的门:一个连接到真空烘箱,另一个连接到起气帘作用的同样充有正压力N的小体积密封箱,通过该密封箱再与外部环境相通.平行缝焊的干燥环境系统构成如图4 所示.r,[操作箱(N2干燥箱)]N2密真空烘箱\封箱J//Jf/;,,,/●●/_,:l(二)(二)V./~,一J7LJ1I/门1l『]zl缝焊机Il门3l『]4图4平行缝焊干燥环境系统我们采用M1000型平行缝焊系统对MCM—C进行干燥与密封的过程为:①打开门1,将待密封产品放人真空烘箱,关严门1,门2;②使产品在真空烘箱的10m～50m汞柱气压,110℃～140~C环境中烘烤4h～8h;③打开门2,将已干燥的产品移人缝焊操作箱,关严门2,门3;④在湿气含量≤40×10的正压力N,环境操作箱一5一中高中高高中中中中高中高中第6卷第9期电子与封装内完成产品平行缝焊密封;⑤在门4关严的情况下,打开门3,将已熔焊密封的产品移入充有正压力N:的密封箱,再关严门3;⑥打开门4,取出气密封装好的MCM—C产品,关好门4.产品一旦放入干燥箱,就应当尽快完成密封,最好在几个小时以内;任何隋况下产品都不应在干燥箱内滞留24h以上未密封,因为随着时问的延长,产品中的环氧和其他吸湿的表面将从仍有极少量(≤40×10)湿气的流动N,环境中吸取越来越多的水份;所以,产品在真空烘烤后若不能在短期内密封好,则应重新烘烤后才能进行密封.对于采用N,气氛链式炉的MCM—C钎焊密封,产品经过真空烘箱去湿后最好直接送入炉子密封,同样也可在送密封前暂存(存期几个小时)于充正压力N: 的干燥箱内.控制N,干燥箱(缝焊操作箱)环境湿气含量的要求包括:进入干燥箱的N,(气源)的湿气含量应小于5×10...;干燥箱中N:的湿气含量应小于50×10～,最好小于20×10～;干燥箱应具有整体密封性并保持干燥N:正乐力,阻止空气从密封口进入箱内;箱门不能同时打开,否则空气和湿气易进入;不要向干燥箱内送入未经事先真空烘烤的具或其他材料;干燥箱应在一定流速N:冲洗≥8h后才能投入缝焊操作.6结束语以达到相关要求为最低目标,遵照相关规定,我们对"MCM—C金属外壳封装","PGA型MCM—c一体化封装(ISP)"进行了稳定性烘焙,温度循环,热冲击,耐湿,内部水汽含量,恒定加速度,机械冲击,外部目检,密封,绝缘电阻,叮焊性,引线强度等鉴定试验,结果表明MCM—C埘.6一装产品在经受相关的环境试验,机械试验后,其结构完整性,电学有效性,机械牢同性均能达到要求.同时,各试验分组样品(腔体容积均大于0.4cm)的氦漏气速率尺均小于2.8×10～Pa?cm?s～,充分证明本文所述的MCM—C金属气密封装技术具有较强的T程实用性.参考文献:[1]杨邙朝,张经同.多芯片绀件(MCM)技术及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,2001.2]RaoR.Tummala,EugeneJ_Rymaszewski,AlanG. Klopfenstein,等.微【乜了封装手册[M].第二版.中同电子学会}U子封装专业委员会绀织译.北京:电子T业出版卒十,2001.[3]张蜀平,郑宏宇.电子封装技术的新进展[J].电子与封装,2004,4(1):3—9[4]高尚通,赵平.电子埘装在中同的发展趋势[J].世界电子元器件.1999(6):32—35[5]况延香,朱颂春.微电了封装技术[M].合肥:-_1】吲科学技术大学出版}十,2003.6]JamesJ.Licari,LeonardR.Enlow.混合微电路技术手册——材料,『艺,设计,试验和生产[M].第二版.朱瑞廉译.北京:电子,}}J版礼,2004.7P.K.Khanna,eta1.AnalysisofPackagingandSealing TechniquesforMicroelectronicModulesandRecent Advances[J].MicroelectronicsInternational,1999 (2):8—12[8]何中伟,王守政.LTCC基板与封装的一体化制造[J].电子卜j封装.2004,4(4):20—23作者简介:何中伟(1962一),,安徽望江人,研究员,1983年毕,l于北京理_r大学,一盲从事HIC,MCM的研制研究l作.。
