【doc】 可伐预氧化工艺因素对金属-玻璃封接气密性的影响

【doc】 可伐预氧化工艺因素对金属-玻璃封接气密性的影响 可伐预氧化工艺因素对金属-玻璃封接气密 性的影响 第16卷第3期 Vo!.16No.3 可伐预氧化工艺因素对金属—玻璃封接气密性的影响 曹闰 (中国电子科技集团公司第43研究所,合肥230022) 摘要:本文在不同氧化工艺,相同熔封工艺条件下制作金属一玻璃外壳,并模拟外壳实际应 用情况对其气密性进行了考核,分析了工艺因素对可伐预氧化及其对金属外壳气密性的影响.实 验结果表明,可伐合金在N2+H2O混合气氛下氧化随时间遵循抛物线的增重规律,在850~C,N2 +H2O混合气,氧化10~30分钟,外壳均可获得较高的气密可靠性. 关键词:可伐预氧化气密性金属,玻璃 1引言 外壳作为电子元器件的包封体,对其起 着支撑(电连接,热传导,机械保护等)作 用,是元器件的一个重要组成部分.外壳质 量的好坏直接关系到元器件的质量和可靠 性.众所周知,气密性既是外壳亦是元器件 的重要指标之一.气密性不好,会使外界水 汽,有害离子或气体进入到元器件的腔体内, 使金属一氧化物(MOS)器件中的电荷泄漏, 使金属化层腐蚀,使两个相同或不同的带电 金属带之间电解导电,使绝缘介质的绝缘电 阻下降等.金属外壳封装是一种高可靠封装, 具有优异的导热性能,电性能和良好的密封 性,被广泛用于高可靠的军用电子器件中. 金属外壳的气密封接通常是通过可伐合 金与硼硅玻璃匹配封接实现的,由于可伐合 金与玻璃之间并不能直接浸润,而是先将可 伐合金预氧化,然后在高温下使可伐合金的 氧化膜与玻璃浸润融合来实现封接的,因此 金属氧化的技术显得至关重要.国内外许多 学者在这方面做了大量的研究工作,提供了 ?58? 很多有价值的研究成果,为金属外壳的生产 提供了理论指导. 本文在前人的研究成果的基础上,结合 我所金属外壳生产的实际情况,通过在不同 工艺条件下将可伐预氧化,分析工艺因素对 预氧化的影响,进而确定在什么工艺条件下 可生成适于气密封接所需要的氧化层,以指 导实际的生产,确保产品获得高气密可靠性. 2实验 2.1实验方法 本实验通过在不同预氧化工艺,同一熔 封工艺下比较预氧化工艺对金属一玻璃封接 气密性的影响.采用高精度电子天平 (SatoriusCP225D,可读性为0.01mg)分别 在氧化前后称量样品重量并计算样品氧化单 位增重;采用x射线衍射仪(X’PertPhilips) 对氧化样品进行物相分析.对于熔封后的样 品,采用了在模拟实际应用的基础上加严考 核的方法来考核不同氧化程度样品的气密 性,即壳体熔封后先粘基片,封盖,加压检 漏(2atm,4h),然后再按照GJB548A一96方 第16卷第3期 Vo1.16NO.3 法1011A条件C进行热冲击实验以及加压检 漏,最后再按照GJB548A一96方法2004A条 件B2以及在加严条件(2.5N弯曲4次)进 行弯曲后加压检漏来考核气密性. 2.2样品制备 本实验采用扩散炉在控制气氛下制备样 品,其中熔封样品采用实际生产中的产品, 尺寸为35mmx28mmx5.5mm,而用于物相分 析的样品则是用可伐板切割出尺寸为 20mmx20mmxlmm的标准样品,所有样品在 氧化前都经过了清洗和脱碳两道工序.为比 较氧化工艺对气密性的影响,样品在不同工 艺条件下氧化,而在相同工艺条件下熔封并 分别编号,熔封工艺与实际生产中所用的工 艺相同,氧化工艺如表1所示. 3结果与讨论 3.1工艺因素对可伐预氧化的影响 就可伐合金的预氧化过程而言,主要有 两个控制要点…,一是控制生成的氧化产物, 另一个是控制氧化膜的厚度.可伐合金在高 温下氧化,由于铁离子扩散速率比镍和钴快 很多【,所以合金表面生成的主要是三种铁 的氧化物,从内到外依次是FeO,Fe304, Fe2o3[3】,其中低价氧化物FeO的化学键类型 与金属类似,可与金属牢固结合;而高价氧 化物Fe3o4化学键类型与玻璃类似,可与玻璃 牢固结合.Feo3的结构疏松,粘附性差,封 接后容易漏气,是气密封接所不希望的. 图1给出了几种典型的预氧化工艺条件 下样品表层的氧化产物,通过分别与FeO, F3O4,Fe2O3标准谱对照发现,在这三种工艺 条件下的氧化产物均主要为Fe3o4,没有发 现不利于封接的Fe2o3存在.因此,从物相 上说,这几种工艺所获得的氧化层均适合于 金属一玻璃的封接. 表1实验样品的预氧化工艺及编号 编号S1S2S3S4S5S6S7 温度(?)8o0850900850850850850 工 艺氧化时间(min)10101020301010 湿氮(1/min)0.50.5O.50.50.50.21.0 图1s2,s3,s6三种样品氧化层的x射线衍射图谱 ?59? 第16卷第3期 Vo1.16NO.3 可伐合金预氧化表层氧化膜的厚度对于 金属一玻璃封接是另一个较为重要的参数,它 对封接件的漏气率和封接强度等有着密切的 联系.当合金表层氧化膜很薄时,封接中氧 化膜完全熔于玻璃,造成玻璃与金属基体表 面直接封接,使封接强度下降,氧化膜过厚, 造成金属表面残留较厚的粗糙疏松的氧化 膜,此时封接件易发生漏气现象.在实际生 产中,一般采用测量金属基体上氧化膜增重 的方法来测量氧化膜的厚度. 图2是样品氧化单位增重随着预氧化工 艺因素的变化,从图中可以看到,随着温度, 氧化时间,N2中水汽的含量的增加,氧化单 位增重都单调增加,但是它们呈现了不同的 变化规律,对比这三条曲线我们可以发现, 在这三个工艺因素中,温度对单位氧化增重 的影响似乎最大,它反映了可伐合金氧化的 ?60? 氧化时间(min) (a) E ? E 一 1 乏 球 热力学[4】,从Ellingham[51编制的氧化物的 AG~-T平衡图可以看出,温度越高,生成 Fe04所需要的氧分压越低.氧化单位增重随 氧化时间的变化关系则反映出了氧化的动力 学曲线,由图2(b)可知,在本实验特定的 N2+H2o控制气氛下,可伐预氧化增重随氧 化时间近似遵循着抛物线规律.N2中水汽含 量对可伐预氧化影响最小,特别是在H2o含 量大于0.51/min后,增重不是特别明显,这 可能是由使用的设备的结构引起的,图3给 出了氧化所使用的扩散炉的气路图,湿氮在 进炉前要经过很长一段管道,造成了相当一 部分水汽的损失,即使过H2o的N2量增加, 所能携带的H2o量也是有限的,因此当水汽 达到饱和以后,其对可伐合金预氧化的作用 就不十分明显了,正如图2(C)所表现的. 温度(?) (b) N2过H2O量 (C) 图2样品单位氧化增重随(a)温度(b)氧化时间以及(c)水汽含量的变 化关系 第16卷第3期 Vo1.16NO.3 榭 图3扩散炉气路图 3.2不同氧化程度下的金属一玻璃封接的气 密性 对不同氧化工艺条件下的样品与玻璃在 特定熔封工艺下进行封接,玻璃采用同一批 次,因玻璃差别带来的影响忽略不计.表2 列出了部分金属外壳样品在经过一系列考核 后的气密性,样品在上述不同预氧化工艺条 件,同一熔封工艺条件下制备而得.样品漏 气率小于lxl0,Pa.cmlj/s即为气密性合格. 由表可知,在850~C,N2+H2o,氧化l0, 30min,样品在按照GJB548考核后气密性均 合格,即使在加严疲劳条件下气密性仍然合 格,封接可靠性较高.其它几种样品考核后 都存在部分漏气现象,气密可靠性较低. 样品S1和样品S6在考核时均出现了部 分漏气现象,参看其单位面积氧化增重,均 小于0.2g/cm.根据ThomasI6】等人的报道, 要获得高质量的封接所需的氧化增重范围为 0.2,0.7g/cm,因此,这两个样品所表现出 的封接可靠性低可能是由于氧化程度轻所引 起的.S3样品出现漏气从氧化增重上无法解 释,但是考察其与其它合格样品的工艺差别, 可以推测,这可能与在较高温度下氧化所获 得的氧化层没有在较低温度下的致密有关; 此外,样品本身的缺陷也有可能导致壳体漏 气. 表2样品单位氧化增重及考核后的气密性 样品编号单位氧化增~(g/cm)2.22N弯曲3次2.22N弯曲4次2.5N 弯曲3次 S10.198合格部分漏气 S20.222合格合格合格 S30.271部分漏气部分漏气 S40.270合格合格合格 S50.349合格合格合格 S60.084部分漏气合格 S70.389合格合格合格 (下转32页) ?61? 第16卷 Vo1.16 第3期 No.3 的完成. 参考文献 【1】SaidEA1一sarawi,DerekAbbottandPaulD. Franzon.”AReviewof3-DPackagingTechnology”, IEEETransactionsonComponents,Packagingand ManufacturingTechnology,PartB,vo1.23, no.1,PP.2—13,Feb.1998. 【2】张经国,杨邦朝,陈庆.三维多芯片组件技 术.中国电子学会第十一届电子学术年会论文集, 2000年,PP.221—230. 【3】况延香,朱颂春.微电子封装技术.中国科 学技术大选出版社,2002. 【4】张晓光,高顶.射线检测焊接缺陷的提取和 自动识别.北京:国防工业出版社,2004年 【5】GregReed,VoidDetectionSystemFerrets 0utHiddenDefects.SemiconductorInternationa1. vo1.27,no.5,PP.38,may2004. 【6】吴懿平.SMT回流焊过程的量化参数一加热 因子Q.环球SMT与封装,2003,vo1.3,no.1,PP.4—6. 【7】P.L.Tu,Y.C.Chan,K.C.HungandJoseph K.L.Lai.”Comparativestudyofmicro—BGA ReliabilityUnderBendingStress”,1EEETransactions onAdvancedPackaging,vo1.23,no.4,PP.750—756, Nov.2000. 【8】EL.Tu,Y.C.ChanandJosephK.L.Lai,”Effect ofIntermetallicCompoundsonVibrationFatigueof taBGASolderJoint”,IEEETransactionsonAdvanced Packaging,vo1.24,no.2,PP.197—205,May.2001. 【9】李建辉,董兆文,秦先海.LTCCBGA及其 封装技术研究.中国电子学会第十三届电子学术年 会论文集,2004年,PP.234—238. 术木木木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木 术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术 木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木术木 (上接61页) 4结论 分析了可伐预氧化工艺的主要因素温 度,水汽,时间对可伐预氧化层的影响.在 实验所考察的条件内,样品表面均没有出现 不利于封接的预氧化产物;通过氧化单位增 重对氧化时间作曲线,得出在N2+H2o混合 气氛下,可伐合金预氧化遵循抛物线增重规 律.在对样品进行熔封以及考核后,部分样 品出现了漏气现象,而在850~C,N2+H2o, 氧化10~30min的样品则获得了较高的气密 可靠性. 参考文献 【1】胡忠武,王警卫等,氧化膜对玻璃一Kovar 合金封接得影响,稀有金属材料与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,2000(29): 428 ?32? 【2】R.A.Piscitelli,S.K.Rhee,F.N.Bradley, OxidationofFeNiCoAlloy.J.Electrochem. Soc.,SolidStateScienceandTechnology, 1976(6):929 【3】Abendroth,OxideFormationandAdherence onanIron—Cobalt—NickelGlassSealingAlloy, MaterialsResearch&Standards.1965f9):459 【4】穆道斌,程辉等,金属一玻璃封接中4J29 可伐合金的氧化研究,材料表面与处理,2003(10): 38 【5】H.Ellingham,JournaloftheSocietyof ChemicalIndustry,1994(63):125 【6】w.B.Thomas,et.a1.,MatchedGlass—to—MetalSeal ImprovementsByControlledAtomsphereMetal Oxidation.SolidStateTechnology,1986(29):73—79