摘要：平行缝焊作为气密性封装的一种重要封装形式，以其适用范围广、可靠性高等优势被广泛应用。在高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics, HTCC )产品气密性封装应用时，有诸多因素可能会引起产品密封不合格，导致电路失效。从产

HTCC 产品气密性封装的平行缝焊工艺研究

陈曦 甘志华 苗春蕾

（北京七星华创微电子有限责任公司）

摘要：

平行缝焊作为气密性封装的一种重要封装形式，以其适用范围广、可靠性高等优势被广泛应用。在高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics, HTCC )产品气密性封装应用时，有诸多因素可能会引起产品密封不合格，导致电路失效。从产品盖板和底座的清洁度、预焊过程控制、封装夹具制作及封装参数的设置 4 个方面研究了平行缝焊工艺对 HTCC 产品气密性封装效果的影响。研究结果显示，为减少平行缝焊时陶瓷管壳所受到的热冲击，在脉冲周期内脉冲宽度要短，焊封能量应尽可能小，同时平行缝焊工艺中非封装参数影响的焊道质量也会影响 HTCC 产品气密性封装的效果。

1 引言

HTCC 基板具有结构强度高、热导率高、材料成本较低、化学稳定性好和布线密度高等优点，因此在大功率微组装电路中具有广阔的应用前景。HTCC 产品作为 HTCC 基板的衍生品，是指在 HTCC 基板的四周焊接上可伐围框并配套上盖板的电路产品，通过平行缝焊形成气密性封装，满足国军标 GJB548B 的气密性要求[1]。

气密性封装具体指的是在产品封装内压入氦气后，氦气的漏率要小于某一规定数值（与封装体积相关）的封装，通常指的是≤1×10-2Pa·cm3/s(1×10-7atm·cc/s) (1 atm=101325 Pa，1cc=1 cm3)的氦气漏率。平行缝焊气密性封装工艺与其他工艺相比，主要的优点是封装管壳局部高温。平行缝焊的原理可概括为：在缝焊密封时，盖板放在底座的上面，两个圆锥形的滚轮电极允许在封装盖板两对边缘的上表面滚动。从电源一侧流出的脉冲电流流过一个电极，通过该电极与盖板间的接触点，再流过盖板到另一个接触点，到另一个电极，最后返回电源。热量大部分在电极和盖板的接触点处产生，令其接触面熔化，而其余部分还来不及加热[2]，所以对像 HTCC 产品这种对温度敏感的器件影响较小。

而实际工作中遇到的有些 HTCC 产品，完成平行缝焊工艺后直接进行检漏时合格，但在经过温度循环和恒定加速度等筛选试验后再次检漏时发现外壳有漏气现象。对其进行失效分析，发现漏气位置大都位于焊道下方的陶瓷层。原因是在平行缝焊过程中瞬间产生的高热量会对陶瓷外壳造成热冲击，在后续的筛选试验中，由于残留热应力得以累加并最终释放，从而导致结合强度降低，最后炸裂、漏气。部分国产陶瓷外壳由于结构设计等原因，其陶瓷结构本身的强度也不够，该问题会更严重[3]。

与别的电路相比，HTCC 产品的气密性影响因素较多，忽略掉焊接可伐框架的影响主要是平行缝焊的焊道质量以及陶瓷外壳是否开裂这两大类因素。本文从产品盖板和底座的清洁度、预焊过程控制、封装夹具的制作以及封装参数的设置 4 个方面研究了平行缝焊工艺对 HTCC 产品气密性封装效果的影响，重点对比分析了 2 组不同封装参数的影响效果，并给出了相应的分析结论。

2 平行缝焊工艺研究

文中选取了 10 只从国内某厂家采购的 HTCC 产品作为本次试验研究对象的样品，样品编号分别记作#01、#02……#10。样品底座的外形尺寸为 5mm ×5mm×1.8 mm （长×宽×高），该尺寸的产品是属于目前HTCC 产品应用平行缝焊工艺封装时尺寸较小的。尺寸越小的 HTCC 产品其平行缝焊的难度系数越大。尽管缝焊的原理相同，但是在具体操作时需要注意的相关因素更多。因为对于一个相同尺寸的缺陷，在大尺寸产品封装时可能影响较小，而对于小尺寸产品就不能接受。

HTCC 外壳的质量首先是由设计决定、制造过程来保证，封装过程中工艺的调整及封装后的筛选是不能改变或提高外壳可靠性的。但是理想的平行缝焊工艺控制可以有效避免产品密封失效的情况发生。首先在入场检验时就要排除样品盖板和底座原材料可能存在的问题，剔除因盖板材料或制造过程中形成的盖板缺陷；再对 10 只样品的底座进行外观目检和喷氦检漏试验，结果全部合格，证明 10 只样品的底座在进行平行缝焊封装前均无缺陷。

2.1 盖板和底座的清洁度

当产品的盖板和底座有杂质存在时，封装时可能引起电极打火造成焊道缺陷。所以盖板和底座的清洁度会影响到平行缝焊的焊道质量，从而影响产品最终的气密检测结果。将 #01~#10 所有样品的盖板用异丙醇溶液清洗干净，将外壳底座焊封口处用酒精棉球擦净。

2.2 预焊过程控制

因为平行缝焊封装前产品要在烘箱内进行最少3h 的烘烤，烘箱内的洁净度很难保证。封装时需要在手套箱内进行，操作人员在佩戴手套操作时出现过碰倒产品内部金丝的情况。为了有效防止封装时会碰到产品内部，造成金丝塌陷、电连接短路以及避免后续筛选 时 粒 子 碰 撞 噪 声 检 测（Particle Impact Noise Detection, PIND）试验不合格的现象发生，我们开发了预焊工艺过程，即在平行缝焊封装操作前先使用预焊机将产品的盖板牢固固定（原理与平行缝焊的原理相同）在相应的底座上。

由于待封装 HTCC 样品的尺寸小，所以样品的盖板对位和预焊能量的大小控制是封装时遇到的两个难题。首先为了解决盖板对位的问题，将 4.6 mm×4.6 mm×0.15 mm 尺寸的平盖板改造为台阶尺寸为2.9 mm×2.9 mm×0.25 mm 的台阶式盖板，这样更方便盖板对位，盖板如图 1 所示。同时为了避免预焊机（定制的预焊机型号为 WDH-D-01）的气动悬浮台在运动过程中引起盖板位置的滑动，通过减小预焊机阀门的进气量来减慢悬浮台的运动速度，来保证预焊时盖板不会移位。

其次是预焊能量大小的控制问题。当预焊能量较小时，盖板与底座的结合强度不够。在平行缝焊时由于一对电极在盖板上运动，此时容易引起盖板移位，形成焊道缺陷，给后续的气密性检测留下隐患。当预焊能量较大时，此时在盖板上会留下较深的预焊痕迹，这在一方面严重影响产品的外观，另一方面在该位置处平行缝焊的焊道和焊点融合的效果差，焊道有缺陷同样给气密性检测留下隐患，所以包含盖板对位和能量控制的预焊过程控制至关重要。

2.3 封装夹具的制作

封装夹具的作用主要是用来平稳地固定住被封装样品，同时要具有很好的导热性。由于该样品的高度仅为 1.8 mm，为了更好地固定住样品，封装夹具设计高度为 4mm、深度为 0.5 mm 的凸台，示意图如图 2所示。这样的结构设计可以保证在整个封装过程中样品能够平稳固定、均匀受力，排除外力可能造成的产品结构损伤。制作材料选用导热系数较大的 6061 铝合金。在使用前要用酒精棉将夹具擦拭干净，这是为了避免沾污待封装样品，保证样品的清洁度。

2.4 封装参数设置

在本文中，10 只样品均使用型号为 SSEC2400e的平行缝焊机进行焊封。在平行缝焊过程中设定的电流是一系列均匀的脉冲信号，并且具有恒定的缝焊速度。总能量可由式（1）计算得出：

式（1）中：E 为缝焊能量，单位 J；P 为缝焊功率，单位 W；Pw 为脉冲宽度，单位 ms；Pt 为重复时间，单位ms；Pw/Pt 称为脉冲占空比；L 为缝焊长度，单位 mm；S为缝焊速度，单位 mm/s。缝焊功率用来调整脉冲串的幅度大小，脉冲宽度决定了每个脉冲串的大小，重复时间决定每隔多少时间该脉冲串重复一次，缝焊速度控制密封过程中封装在电极下移动的快慢，移动速度越快，所需热量就越多[4]。还需要注意的是，脉冲占空比变大时盖板的温度变得更高。

将 10 只样品按照不同的封装参数分成 2 组进行平行缝焊封装对比试验，具体的封装参数见表 1。#01~#05 样品用参数 1 封装，#06~#10 样品用参数 2 封装。

2.5 试验结果分析

2.5.1 焊道外观

将平行缝焊完成后的 10 只样品全部放在显微镜下进行外观检查，其中 #01 和 #06 样品的封装效果如图 3 所示。可以看出这 2 组不同参数封装完成的样品焊道外观是有差异的，图 3（a）中 #01 样品的焊道已经观察不到明显焊点重叠的轨迹，说明该焊道的焊点重叠率较高，彼此之间形成了覆盖，导致焊道的焊点模糊。平行缝焊的焊道是由一系列连续相等大小的焊点重叠形成的，假定单个焊点的长度为 W，单位 mm，为了保证焊缝的密封性，重叠部分控制在 30%~50%时较为理想。理想的焊缝重叠如图 4 所示。图 3（b）中 #06样品的焊道重叠量约为 50%，可以满足要求。不过这两个焊道均光滑且连续，盖板与底座之间无缝隙或小孔，陶瓷外壳均未发现裂纹。

可以用理论分析以上重叠量差异发生的原因。在平行缝焊参数已经设定好的基础上，则 L 可以通过式（2）计算得出：

再假设两个相邻焊点的重叠量为 X，则 X 可以通过式（3）计算得出：

需要说明的是，W 的值与缝焊能量（参数组合）、盖板、外壳、电极甚至工装夹具等均相关，所以要想获得准确的数值很难。在盖板、外壳、工装夹具和电极条件均相同的情况下，参数 1 和参数 2 中的 S 值也相同，此时可以认为样品的 W 值与 Pw 值成正比。则 W 可由公式（4）计算得出：

分别用 X1 和 X2 表示参数 1 和参数 2 中两个相邻焊点的重叠量，W1 和 W2 表示参数 1 和参数 2 中单个焊点的长度。此处可以认为 W1＝2W2，相邻两个焊点之间的距离 L 相同。当参数 2 中焊点的重叠量X2 为50%时，可以通过计算得出此时的 X1 为 75%，这与显微镜下的焊道外观目检结果相吻合。不同类型的封装产品外壳允许的焊点重叠量可以不同，而本次试验的样品使用的是氧化铝陶瓷外壳，氧化铝陶瓷的热导率表现为负温度系数，即导热性能随着温度的升高而变差。因此当焊点的重叠量变大时，所产生的更多热量并不能够快速扩散，结果会导致更大的热应力残留[5]。这会给后续要经过一系列筛选试验的样品气密性检测留下更大的隐患。

2.5.2 筛选试验

在进行筛选试验前，首先对以上 10 只经过了外观检查的试验样品进行气密性检测，又称密封试验。本文中的气密性检测包括氦质谱细检漏和氟碳化合物粗检漏，试验条件则严格参照 GJB548B 要求。之所以在进行筛选试验前进行此次密封试验，是为了验证该10 只样品是否可能在筛选前已经密封失效。氦质谱细检漏是一种定量的气密性检测方法，利用它可以准确地测量某个器件的漏率水平，当测量到某个器件的漏率不合格时，它通常无法定位漏气部位所在。氟碳化合物粗检漏可以确定漏气部位，但它只能筛选定位漏率足够大的产品，所以才需要两者一起配合进行密封试验。

将待检漏的 10 只样品放置在 HF-4 型氦气氟油加压检漏装置中经过 517 kPa、2h 的细检加压，再用氦质谱检漏仪进行细检漏，细检漏的合格判据为漏率值R1≤5×10-8 atm·cc/s。该 10 只样品细检漏的漏率值R1≤5×10-8 atm·cc/s，全部合格，具体的漏率值见表 2。随后再将这 10 只样品放置在 HF-4 型氦气氟油加压检漏装置中经 414 kPa、4h 粗检加压后用氟油进行粗检漏，观察到 10 只样品的任何部位均未发现有气泡产生，粗检漏结果全部合格。由此可排除掉该 10 只样品在筛选前已经密封失效的可能性。

接下来对完成了第一次密封试验的 10 只样品再进行筛选试验，依据 GJB548B 要求，其试验项目和条件如表 3 所示。

经过表 3 中条件要求的温度循环至最终电测筛选试验后的 10 只样品，再进行第二次密封试验，与第一次密封试验的条件相同。

首先将 10 只样品放置在 HF-4 型氦气氟油加压检漏装置中经过 517 kPa、2h 的细检加压，再用氦质谱检漏仪进行细检漏，细检漏的合格判据为 R1≤5×10-8 atm·cc/s。其中 05# 样品细检漏的漏率值为 4.3×10-4atm·cc/s，密封失效。另外 9 只样品细检漏的漏率值均不大于 5×10-8 atm·cc/s，全部合格，具体的漏率值见表 4。

将这 10 只样品放置在 HF-4 型氦气氟油加压检漏装置中经 414 kPa、4h 粗检加压后用氟油进行粗检漏，肉眼可以观察到 05# 样品的陶瓷底座侧壁有连续气泡产生。其余 9 只样品的任何部位均未发现有气泡产生，粗检漏测试均合格。在显微镜下再次观察这 10只样品，在 05# 样品焊道下方的陶瓷底座上发现裂纹，如图 5 所示。其余的 9 只样品均未发现其他缺陷，产品的外观没有发生任何改变。

为了减少平行缝焊时陶瓷管壳所受到的热冲击及热应力残留，找到合理的封装参数至关重要。在脉冲周期内脉冲宽度一定要短，并且尽可能降低脉冲占空比。通过参数 1 和参数 2 封装完成后的样品相比较可以知道：其他参数不变的情况下，参数 2 比参数 1 的脉冲宽度减小一半，即缝焊能量也减少一半，06#~10#这 5 只样品的焊道外观质量更好，而且在经过后续筛选试验后均未出现陶瓷外壳开裂的现象。而使用参数1 封装完的样品中则出现了 05# 样品陶瓷底座开裂的情况。

3 结论

产品盖板和底座的清洁度、预焊过程控制、封装夹具的制作、封装参数设置等因素均会对 HTCC 产品气密性封装效果产生一定的影响，其中封装参数的设置影响最为显著。不过关于 HTCC 产品最合适的封装参数设置目前并没有给定的范围，本文中所使用的参数是结合自身的生产经验所给出的。截至目前，本公司利用参数 2 的平行缝焊工艺对文中提到的上千只产品进行了批量生产，封装合格率达到 100%。

来源：半导体封装工程师之家一点号