??
【簡介】
李茂松，何開全，徐 煬，張志洪
（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶400060）
摘 要：抗鹽霧腐蝕是提高集成電路封裝可靠性的重要手段之一。根據(jù)金屬腐蝕機理，通過優(yōu)化封焊工藝和AuSn合金焊料平行縫焊封蓋工藝，以及在封蓋后再次進行電鍍修復(fù)損傷等措施，提高了平行縫焊集成電路的抗鹽霧腐蝕能力。
關(guān)鍵詞：集成電路封裝；抗鹽霧腐蝕；平行縫焊
中圖分類號： TN305.94文獻標(biāo)識碼： A文章編號：1004-3365（2011）03-0465-05
1·引言
平行縫焊封蓋集成電路在潮濕、鹽霧等各種惡劣環(huán)境下出現(xiàn)的焊邊銹蝕，是影響集成電路長期可靠性的重要隱患。解決集成電路封裝金屬部分的鹽霧腐蝕問題是目前高可靠封裝領(lǐng)域的重要課題。
針對單片陶瓷-金屬封裝集成電路抗鹽霧產(chǎn)品，目前普遍采用金錫合金焊料（Au80Sn20）熔封封蓋方式。這種封蓋工藝不會破壞外殼表面的保護鍍層，只要外殼封蓋前能通過鹽霧考核，則產(chǎn)品也可滿足抗鹽霧要求。但熔封工藝在封蓋時需要對器件進行整體加熱，器件承受的溫度至少要大于Au80Sn20焊料的玻璃相轉(zhuǎn)換溫度280℃，因為這一溫度下會造成粘結(jié)電路芯片剪切強度失效以及水汽含量超標(biāo)。采用平行縫焊工藝進行抗鹽霧腐蝕電路封裝，可以有效控制管殼整體溫升，降低內(nèi)腔雜質(zhì)氣氛排放和生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品封裝質(zhì)量與可靠性，滿足大腔體全金屬混合電路及粘結(jié)芯片的封裝要求。
2·鹽霧腐蝕機理分析
平行縫焊集成電路鹽霧試驗出現(xiàn)的銹蝕主要為蓋板焊邊腐蝕，其產(chǎn)生原因主要是蓋板縫焊后焊邊保護鍍層損傷使基材暴露在鹽溶液環(huán)境下，形成原電池腐蝕。通常，蓋板使用的基材為可伐合金，它由鐵（53%）、鎳（29%）、鈷（17%）以及其他微量元素組成。由于合金本身含鐵量較高，不能抵抗鹽霧腐蝕，因此必須在表面加保護鍍層來提高防腐蝕能力。圖1所示為平行縫焊蓋板材料結(jié)構(gòu)。
平行縫焊集成電路外殼金屬部分產(chǎn)生腐蝕的原因在于外殼表面裸露的兩種金屬之間由于電位差而形成電偶對，這些電偶對是一個一個的原電池系統(tǒng)。原電池的形成與金屬的特性密切相關(guān)，金屬化學(xué)性質(zhì)越活潑，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位越低，就越易被腐蝕。幾種常用金屬外殼材料在25℃下的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（電動序EMF）為：
VAu（+1價）=+1.68 V,VNi=-0.25 V
VFe（+2價）=-0.45 V
外殼表面異種金屬之間可能構(gòu)成電偶電池對的電位差為：
VAu/Ni=+1.93 V, VAu/Fe=+2.13 V
VNi/Fe=+0.20 V, VAuNi/Fe=+2.38 V
從以上數(shù)據(jù)可以看出，金屬鐵的標(biāo)準(zhǔn)電位最低其他金屬與之形成的電位差較大。因此，鐵是最易被腐蝕的，并且鐵在空氣中易與氧發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵銹蝕物。金的化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定，鎳在空氣中其表面快速生成氧化膜，也不易被腐蝕。因此，產(chǎn)生鹽霧腐蝕必須要有兩個基本條件，第一個要有電位差如基體金屬電位明顯低于鍍層金屬電位，它是產(chǎn)生腐蝕的原動力；另一個必備條件是要有腐蝕通道，即鍍層孔隙或損傷。
根據(jù)金屬銹蝕機理，可以從以下途徑開展平行縫焊產(chǎn)品抗鹽霧腐蝕技術(shù)研究：1）控制表面鍍層與基材的電位差，消除腐蝕原動力；2）增加鍍層致密度，減小孔隙腐蝕；3）控制表面損傷，防止原電池形成；4）減小封裝應(yīng)力，抑制應(yīng)力腐蝕。
3·抗鹽霧腐蝕技術(shù)研究
平行縫焊工藝是一種電阻焊，其原理是通過兩個帶電的電極滾輪在外殼的兩個縫焊邊滾動，形成一個電流回路，在電極與蓋板接觸處的大電阻區(qū)產(chǎn)生焦耳熱，并在一定的焊接能量下，使焊點溫度到達蓋板的熔點，從而完成對蓋板與基座的密封焊接。平行縫焊工藝本身在縫焊過程中會對金屬蓋板焊邊保護鍍層造成不同程度的損傷，使焊邊基材失去保護作用，暴露在空氣環(huán)境中。這樣，在鹽霧試驗環(huán)境下，不同電位的金屬將形成原電池系統(tǒng)，從而在焊邊產(chǎn)生局部銹蝕點。因此，解決平行縫焊產(chǎn)品鹽霧腐蝕問題，重點是研究如何控制封焊過程對焊邊造成的損傷。
3.1優(yōu)化封焊工藝
根據(jù)鹽霧腐蝕機理，只要消除產(chǎn)生腐蝕的兩個基本條件，則可確保產(chǎn)品達到抗鹽霧腐蝕的要求。針對可伐蓋板平行縫焊工藝，通過對電鍍工藝的改進和封焊工藝參數(shù)的優(yōu)化，研究提升其抗鹽霧能力的方法。
為了解決外殼本身封蓋前的抗鹽霧問題，針對鍍鎳鍍金蓋板鍍層較薄、表面孔隙較多的問題，對蓋板采用多層電鍍方式，即在鎳金鍍層上再鍍一層鎳金，使金與鎳的晶格錯位排列，并有效減小外殼表面鍍層的孔隙率，消除腐蝕原動力，如圖2所示。
3.1.1 優(yōu)化封焊工藝參數(shù)
平行縫焊工藝主要控制參數(shù)有焊接功率、脈寬、周期與速度，它們與焊接能量的關(guān)系如下：
從（1）式中可以看出，功率、脈寬與焊接能量成正比，周期、速度與焊接能量成反比。為了研究焊接功率、焊接脈寬、焊接周期和焊接速度與產(chǎn)品抗鹽霧能力的關(guān)系，以陶瓷金屬雙列直插式外殼D16S為研究對象進行工藝分析。試驗設(shè)備采用M2400平行縫焊機，共分三組試驗，每組樣品數(shù)量5只，A、B、C三組采用不同功率、脈寬、周期和速度，A組功率和脈寬均大于其他兩組，B組功率最小，C組脈寬最小，每組參數(shù)確保單位長度焊接功率相同。
樣品封蓋后檢漏全合格，按照GJB548B方法1009.2的試驗條件A投入鹽霧試驗。三組樣品中，以腐蝕面積小于5%作為合格判據(jù)，結(jié)果如表2所示。
從三組試驗結(jié)果看，雖然每組都不能達到抗鹽霧封裝要求，但通過優(yōu)化工藝，鹽霧合格率得到明顯提升。在三組中各抽取1只代表性樣品進行鹽霧試驗分析，如圖3所示。
根據(jù)試驗結(jié)果分析，A組功率與脈寬均比其它兩組大，從焊接后焊邊分析來看，其表面明顯較粗糙，粗糙度較大的點在鹽霧后出現(xiàn)銹蝕。B組功率較小，脈寬適中，焊接后焊邊光滑，焊點致密，鹽霧試驗后只有極小的銹蝕點，完全滿足抗鹽霧要求。C組功率偏大，焊邊熔化較深，基材暴露較多，也存在部分銹蝕點，不能確保所有產(chǎn)品均能達到抗鹽霧要求。在150倍顯微鏡下對B組樣品焊邊的顯微圖像如圖4所示。
從以上分析可以看出，平行縫焊工藝參數(shù)對抗鹽霧有較大影響。進行了大量對比試驗分析，得出結(jié)論：焊接功率與脈寬越大，對焊接損傷越嚴重，產(chǎn)品抗鹽霧效果越差。因此，對抗鹽霧腐蝕的產(chǎn)品，在保證焊接氣密性的情況下，應(yīng)盡量采用低脈寬、低功率焊接，這樣可使焊邊在焊接后達到表面光滑平整，盡量減小對保護鍍層的損傷。
3.1.2 優(yōu)化焊接工藝技術(shù)
抗鹽霧產(chǎn)品在焊縫過程中，需要剔除焊框焊區(qū)有凹凸、深劃痕、毛飛邊，蓋板凹凸不平、缺損、毛刺大的管殼，這些缺陷都會對抗鹽霧產(chǎn)生影響。電極材料必須控制在一定的硬度指標(biāo)，不能因電極磨損沾污焊邊，同時，電極表面必須保持光潔度；縫焊過程中，電極出現(xiàn)電蝕或明顯的磨損后必須即時更換。
電極錐度控制在13°~15°較為理想。采用小錐度電極，使電極與蓋板焊框接觸面增大，拐角電場及熱集中減弱，打火和過熱燒蝕減輕，但小錐度電極會使焊縫變寬，增加焊邊損傷面積，造成焊邊不光滑、電極磨損快等缺點。
由于平行縫焊工藝在蓋板角部存在一個引導(dǎo)邊焊接，因此通常在角部進行兩次焊接，而且拐角處的熱場明顯大于其他位置，如圖5所示。
采用常規(guī)焊接技術(shù)縫焊的產(chǎn)品，在鹽霧試驗后，可以看出在四個角部區(qū)域出現(xiàn)明顯的銹蝕點，如圖6所示。
為了解決角部的銹蝕問題，在焊接程序中，通過把每邊開始與結(jié)束位置1 mm處的焊接功率降低50 W,則可通過降低角部的焊接能量來減小角部的焊接損傷，且角部經(jīng)過重復(fù)焊接后，對氣密性不會有影響。圖7所示為焊接過程中功率調(diào)節(jié)示意圖，上面線段為焊接功率，下面線段為焊接周期。
圖8所示為角部功率進行調(diào)節(jié)后樣品的鹽霧試驗結(jié)果，從圖中可以看出，角部的銹蝕得到明顯改善。
通過工藝的優(yōu)化，可以減小平行縫焊產(chǎn)品焊邊的鹽霧銹蝕面積，在不增加封裝成本和工藝更改的情況下，提升產(chǎn)品的抗鹽霧能力。
3.2 Au80Sn20合金焊料封蓋
帶AuSn合金焊料環(huán)的蓋板，其封蓋原理通常是通過熔封爐加熱整個外殼，當(dāng)爐溫達到或超過焊料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度時，使焊料熔化后在基座封接環(huán)的金屬化區(qū)產(chǎn)生均勻致密的焊料浸潤，形成氣密性焊接。由于金具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，Au80 Sn20合金焊料中金的含量高達80%,焊料熔化后在鹽霧環(huán)境下不會產(chǎn)生任何銹蝕。由于熔封封蓋工藝本身不損傷其表面鍍金層，因此只要在封蓋前外殼能通過鹽霧試驗考核，封蓋后也一定能通過鹽霧考核。
熔封工藝封蓋存在許多缺陷，不能滿足某些特定的高可靠封裝要求。采用平行縫焊工藝進行AuSn合金焊料封蓋，不僅能解決封裝可靠性和內(nèi)部雜質(zhì)氣氛排放問題，同時也是解決陶瓷金屬封裝外殼抗鹽霧的有效手段之一。
采用平行縫焊工藝進行AuSn合金焊料封蓋，其原理是采用平行縫焊設(shè)備觸發(fā)的脈沖電流，使蓋板上所帶的焊料環(huán)在電極脈沖能量的作用下發(fā)熱熔化，形成熔焊。而通常使用的不帶焊料環(huán)的縫焊是把蓋板本身的鍍層或基材熔化形成密封焊接，所以兩者采用同樣的工藝，但焊接原理是不一樣的。對焊料采用縫焊工藝，可通過控制工藝參數(shù)、焊接電極角度與光潔度，使蓋板表面鍍層在縫焊過程中不會受到太大的損傷，從而保證平行縫焊AuSn焊料蓋板的產(chǎn)品具有抗鹽霧能力。
圖9所示為采用平行縫焊工藝焊接的帶AuSn焊料環(huán)蓋板封蓋后的鹽霧試驗結(jié)果。從圖中可以看出，封帽工藝對焊邊基本上沒有明顯的損傷，同時，鹽霧試驗后也沒有出現(xiàn)銹蝕點。對此種工藝進行了大量試驗，其樣品均能通過鹽霧考核。
3.3 采用封蓋后再次電鍍
平行縫焊與儲能焊工藝對焊邊的損傷是不可避免的，通過工藝只能控制損傷大小，并不能從根源上解決焊邊損傷問題。為了徹底解決封帽后電路抗鹽霧問題，提出了一種對封蓋后的電路再次電鍍的方式，以修復(fù)封蓋工藝對焊邊造成的鍍層損傷。方法是在產(chǎn)品封蓋后投入電鍍工藝，再次在電路表面鍍一層金，然后再把電路投入篩選考核。圖10所示為平行縫焊樣品再次電鍍后的鹽霧試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果看，通過再次電鍍后，外殼都能滿足抗鹽霧的要求，因為這種附加工藝徹底修復(fù)了焊接過程對焊邊造成的損傷，使暴露的基材得到有效的保護。由于再次電鍍需在引腳加電，對某些電路可能會影響其性能，因此，采用再次電鍍技術(shù)抗鹽霧，必須充分評估在通電情況下電鍍可能對器件性能造成的影響，且這種方式會增加封裝成本。
4·結(jié)論
平行縫焊產(chǎn)品焊邊損傷后形成的鎳-金等原電池是產(chǎn)生鹽霧腐蝕的原動力。為了控制焊邊原電池的形成，本文從平行縫焊工藝原理出發(fā)，提出工藝優(yōu)化、熔封外殼平行縫焊、封蓋后再電鍍?nèi)N抗鹽霧措施。第一種是工藝優(yōu)化法，主要用于解決全金屬封裝的混合電路類大表面積外殼產(chǎn)品的抗鹽霧腐蝕問題，對金屬-陶瓷封裝產(chǎn)品可控制性較差；第二種是熔封外殼平行縫焊法，主要用于解決陶瓷-金屬封裝產(chǎn)品抗鹽霧問題，不能用于全金屬封裝產(chǎn)品；第三種是封蓋后再次電鍍法，可以解決所有金屬和金屬-陶瓷封裝產(chǎn)品抗鹽霧腐蝕問題，但需要增加生產(chǎn)成本，而且對電路會造成潛在的性能影響。
參考文獻：
[1]KOLESAR S C. Principles of corrosion [C] // 12thAnn Reliab Phys
Symp. Las Vegas, NV, USA.1974: 155-167.
[2]WHARTON J A, BARIK R C. The corrosion ofnickel-aluminum bronze in
seawater [J]. Corros Sci,2005, 47（2）： 3336-3367.
[3]PAIK C H, ALKIRE R C. Role of sulfide inclusionson localized corrosion
of Ni200 in NaCl solutions [J].J Electrochem Soc, 2001, 148（7）： 276-281.
[4]LESTER M A. Material corrosion study beliesconventional wisdom [J].
Semicond Int, 1999, 22（13）： 52.
[5]杜迎，朱衛(wèi)良，管光寶。集成電路可靠性試驗-鹽霧技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)， 2004, 29（9）： 45-48.
[6]曹宏斌。外殼銹蝕的質(zhì)量分析[J].電子元器件應(yīng)用，2001, 3（7）： 42-44.
[7]鄭關(guān)林。鍍金層鹽霧試驗機理及方法探討[J].電鍍與精飾， 2009, 21（6）： 11-14.
作者簡介：
李茂松（1963—），男（漢族），四川射洪人，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向為半導(dǎo)體封裝工藝。
