玻璃金屬封裝的作用及其意義

1、玻璃金屬封裝的作用及其意義玻璃金屬封裝的作用及其意義時間:2010年06月28日來源:書籍作者:huatian瀏覽次數(shù):376有人說外殼是元器件的軀干與四肢，亦有人說外殼與芯片是唇與齒、皮與肉的關(guān)系。總之，人們的共識是：外殼不僅是封裝芯片的外衣，對其起有支撐(電連接、熱傳導(dǎo)、機械保護等)作用，同時亦是元器件的組成部分。外殼質(zhì)量的好壞與元器件的質(zhì)量與可靠性密切相關(guān)。眾所周知，氣密性既是外殼亦是元器件的重要指標(biāo)之一，氣密性不好會使外界水汽、

2、有害離子或氣體進入元器件的腔體內(nèi)而產(chǎn)生表面漏電，“結(jié)“發(fā)生變化、參數(shù)變壞等失效模式(據(jù)報導(dǎo)，由于腔體內(nèi)濕氣含量大而導(dǎo)致元器件失效的比例為總失效率的26％以上)。在GJB548A的方法1014A密封中，對未封蓋外殼的氣密性作了試驗條件A4的規(guī)定，其失效判據(jù)：若無其它規(guī)定，如果“測量的漏率“Rl超過1103Pacm3／s(氦)時，則器件(外殼)應(yīng)視為失效。本文僅就玻璃與金屬的封接機理及原材料、工藝方面與氣密性相關(guān)因素談?wù)剛€人看法，供有關(guān)人員

3、了解、參考。1玻璃與金屬的封接機理玻璃與金屬的封接機理從金屬外殼的外形、幾何尺寸、引線(腳)數(shù)以及引出形式，其中零件可謂五花八門、成千上萬種，但按其封接應(yīng)力(熔封形式)而言，主要是匹配封接和失配封接，究其封接機理將涉及到二個方面的問題：1.1玻璃與金屬的潤濕(浸潤)問題1.1.1潤濕問題潤濕問題這里所謂的潤濕問題則是指玻璃與金屬的結(jié)合力問題，要想達到玻璃與金屬的良好密封，就必須使兩者有良好的潤濕性。玻璃與金屬的潤濕同液體對固體表面潤濕的

4、道理樣，即如水滴與物體接觸時常出現(xiàn)的兩種狀況一種是水滴在荷葉上呈圓球形，其潤濕角θ接近180℃這種潤濕顯然是不好的；另一種是水滴落在木板上呈扁平形，其θ角近似于0，這便是很好的潤濕。1.1.2氧化物結(jié)合學(xué)說氧化物結(jié)合學(xué)說這種學(xué)說認(rèn)為：玻璃是由多種氧化物所組成，在封接的過程中，金屬表面的氧化物能熔入玻璃內(nèi)，從而成為玻璃成分的一部分，由此獲得良好地密封。但該學(xué)說未能對高價氧化物能存在于玻璃成分中，并不能與玻璃做到很好的封接作出解釋，而電力結(jié)

5、合學(xué)說則從金屬氧化物屬于離鍵晶體結(jié)構(gòu)的觀點出發(fā)對其作了相應(yīng)的解釋。1.1.3電力結(jié)合學(xué)說電力結(jié)合學(xué)說這種學(xué)說認(rèn)為：金屬表面形成低價氧化物時，金屬內(nèi)層價電子并不參加化合作用，而形成高價氧化物時，金屬內(nèi)層價電子將參加化合作用。因此，金屬氧化物的離子半徑大小是隨金屬化合價的高低而不同。在高價氧化物時，由于金屬離子半徑小，被氧離子緊密包圍，使金屬離子不能與玻璃中的正負(fù)離子很好地結(jié)合。當(dāng)形成低價氧化物時，由于金屬離子和周圍的氧離子之間形成較大空隙

6、，其電力線可以延伸出來，與玻璃中的正負(fù)離子獲得最大的結(jié)合力和最小的排斥力，從而得到滿意的封接。a潤濕角與金屬化合價間關(guān)系b.金屬表面形成高價氧化物時與玻璃的電力線結(jié)合關(guān)系圖c.金屬表面形成低價氧化物時與玻璃的電力線結(jié)合關(guān)系；d.金屬表面沒有被氧化時與玻璃電力線結(jié)合關(guān)系。由以上的分析告訴我們，在金屬表面形成低價氧化層才能獲得玻璃與金屬的良好潤濕效果。1.2膨脹系數(shù)問題膨脹系數(shù)問題這里所謂的膨脹系數(shù)問題則是指在熔封過程中[主要是室溫至應(yīng)變點

7、(Tg)溫度范圍內(nèi)]玻璃與金屬的膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能達到一致，原則上兩者膨脹系數(shù)之差“Δα“應(yīng)不大于10％，這時，便可獲得最小的封接應(yīng)力(既無害應(yīng)力)，從而獲得良好的密封效果。鑒于玻璃能承受較大的壓應(yīng)力，因此，在設(shè)計外殼和選擇材料時，往往希望外層金屬的膨脹系數(shù)略高于中間玻璃，中間玻璃的膨脹系數(shù)略高于中心金屬(引出線、管)即遵循α外金≥α中中多以氧化層的顏色判斷，如規(guī)定為蘭色斗蘭黑色(微還原或中性氣氛是前提條件)。④推薦預(yù)氧化規(guī)范：800℃1

8、0min(空氣或濕N2中)。2.2.3封接溫度封接溫度封接溫度、時間、氣氛俗稱封接中的三要素，三者相輔相成，絕不可孤立對待。一般對封接氣氛采用中性氮氣，亦有采用N2H2(微量)的微還原氣氛(筆者認(rèn)為，若有4個9干燥N：氣氛為宜)。在固定氣氛前提下，溫度與時間對封接而言，溫度又是主導(dǎo)方面。溫度高點，時間可短點；溫度低點，時間則可長點；可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，裝配方式、幾何尺寸而定，總之，要保證獲得符合要求的良好封接外觀。但溫度的高低亦是有限度的，

9、一般以無封接外觀廢品為準(zhǔn)，例如：①溫度過低，玻璃的粘度大，則流動性差，往往會產(chǎn)生漏洞、鼓坯、不平、不光滑的外觀(當(dāng)封接外形達到要求時則就不屬溫度偏低了)，同時亦會因溫度低、潤濕性差而產(chǎn)生封接強度低，可能導(dǎo)致產(chǎn)品漏氣；②溫度過高，玻璃的流動性好，易產(chǎn)生流玻(撲玻)、玻點(珠)同時亦會因溫度過高使玻璃、金屬中釋放出氣體，而產(chǎn)生封接(串狀)氣泡，導(dǎo)致封接強度差，封接件漏氣；③推薦封接溫度范圍：970℃~1020℃，對于摻Cr2O3或進行某種改

10、性的鉬組玻璃，亦可對溫度作以適當(dāng)調(diào)整；④封接后封接界面亦應(yīng)有顏色控制，有報導(dǎo)要求呈灰色，如若呈銀白色則為氧化不足，如呈黑色則為氧化過重(多為封接時間過長或返燒產(chǎn)品L可采取解剖法觀察玻璃與金屬的粘附情況。2.2.4電鍍電鍍①功率型、大腔體外殼僅適于掛鍍；②底板鍍層硬度、厚度不宜過大，否則會影響封蓋質(zhì)量；③底板鍍層金屬盡可能熔點低一些，過高會影響封蓋質(zhì)量，對底座的引線局部鍍金應(yīng)加以研究。3.對分析漏氣的幾點思路對分析漏氣的幾點思路應(yīng)針對外殼

11、漏氣的失效模式、不同情況作不同的分析，粗略提出幾點分析：3.1.1多品種普遍產(chǎn)生漏氣多品種普遍產(chǎn)生漏氣①應(yīng)檢查原材料的使用及原材料的質(zhì)量；②查工藝規(guī)范，重點工序(熔封)是否發(fā)生了變化。3.1.2單一品種較大比例漏氣單一品種較大比例漏氣①若未經(jīng)鑒定的新產(chǎn)品則應(yīng)查結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝的合理性；②加工零件的一致性如何。(預(yù)氧化、玻坯、金屬件尺寸及裝配效果、零件外觀質(zhì)量)。3.1.3環(huán)境試驗后漏氣環(huán)境試驗后漏氣①工藝不合理，內(nèi)應(yīng)力大；②玻璃強度不好；

12、③玻璃熱穩(wěn)定性差。3.1.4封蓋后漏氣封蓋后漏氣①底座封接質(zhì)量不好；②座、蓋配合尺寸不好；③座、蓋硬度大；④座鍍層過厚、熔點偏高；⑤封蓋模具問題(結(jié)構(gòu)尺寸及粗糙度)；⑥封蓋規(guī)范控制不合理。對于嚴(yán)重漏氣問題，一則應(yīng)根據(jù)不同失效模式，有針對性地查找原因，做相應(yīng)工藝試驗，同時亦應(yīng)借助科學(xué)的手段對失效樣品進行解剖分析：如金相法檢查金屬晶粒度、氧化層的厚度；用電子衍射測定氧化層的組織成分；用探針記錄玻璃與金屬的熔封界面狀況等，將有助于原因的分析。