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趙飛 何素珍 于辰偉 張玉君

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 合肥圣達(dá)電子科技實(shí)業(yè)有限公司）

摘要：

以某功率放大器金屬封裝外殼為研究對(duì)象，運(yùn)用微觀組織分析方法，對(duì)氮化鋁和氧化鋁兩種不同的陶瓷粉體漿料構(gòu)成的阻焊層的阻焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。氮化鋁阻焊漿料由于其內(nèi)部組織顆粒之間比較松散且有孔洞，與基體結(jié)合力不強(qiáng)，阻焊效果差。氧化鋁漿料阻焊層具有結(jié)構(gòu)致密度更高、與基體結(jié)合力更強(qiáng)等特點(diǎn)，阻焊效果良好，采用其制備的阻焊層可滿足芯片摩擦焊區(qū)域不允許出現(xiàn)焊料流淌的要求，實(shí)現(xiàn) Ag72Cu硬釬焊阻焊的目的。

引言

微波功率放大器是微波整機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵電子元器件之一，廣泛應(yīng)用于各類有源相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、干擾/識(shí)別等軍用、民用電子整機(jī)系統(tǒng)中。近年來，隨著無線通訊等微波技術(shù)的快速發(fā)展，微波功率放大器正受到越來越廣泛的研究與關(guān)注。金屬封裝外殼是微波功率放大器關(guān)鍵組成部分，主要起到支撐/保護(hù)內(nèi)部芯片、散熱、信號(hào)傳輸?shù)茸饔谩Ｄ壳皣?guó)內(nèi)外采用的阻焊技術(shù)按照其工藝實(shí)施方法，可分為兩大類，即結(jié)構(gòu)阻焊法和預(yù)置（涂）阻焊膜（層）法。

針對(duì)結(jié)構(gòu)阻焊法，通常采用凸起臺(tái)階或凹槽等額外的、非必須的物理結(jié)構(gòu)來阻斷焊料的流淌，從而實(shí)現(xiàn)阻焊的目的。但此方法具有很大的局限性：一方面需要增加額外的臺(tái)階或凹槽結(jié)構(gòu)，無形中增加了制造成本，同時(shí)對(duì)高集成、小型化的集成電路外形尺寸來說也是嚴(yán)峻的考驗(yàn)；另一方面，其主要應(yīng)用于 250℃以下且焊料凝固速度很快的鉛錫等低熔點(diǎn)釬焊領(lǐng)域的阻焊，而對(duì)高溫銀銅（Ag72Cu）焊料來說，焊料會(huì)輕易越過臺(tái)階或凹槽，阻焊效果十分有限。

針對(duì)預(yù)置（涂）阻焊膜（層）法，中國(guó)電科 55所賈伏龍等［1］ 提出了環(huán)氧樹脂添加無機(jī)填料與胺系固化劑制備阻焊膠的方法，南京電子技術(shù)研究所湯俊等［2］ 提出了有機(jī)阻焊劑（膠）結(jié)合汽相再流焊和熱板再流焊技術(shù)的方法。上述方法也主要集中應(yīng)用于低溫軟釬焊領(lǐng)域，應(yīng)用于高溫硬釬焊領(lǐng)域的阻焊技術(shù)少有報(bào)道。

為解決金屬封裝外殼高溫銀銅（Ag72Cu）釬焊時(shí)焊料流淌不受控問題，本文開展了氮化鋁和氧化鋁兩種阻焊技術(shù)的研究。結(jié)果表明，氧化鋁阻焊技術(shù)能夠起到對(duì)焊料阻擋的要求，這為高溫條件下阻焊技術(shù)的工程化應(yīng)用提供了新的解決思路。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某微波功率放大器金屬封裝外殼作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)剖面如圖 1 所示，其中： “1”為底板，其材質(zhì)為銅?鉬銅?銅（CPC）復(fù)合材料； “2”為陶瓷環(huán)框，其材質(zhì)為 92% 氧化鋁； “3”為寬扁平引線，其材質(zhì)為 4J42 合金。底板、陶瓷環(huán)框、寬扁平引線通過銀銅釬焊工藝焊接成一整體，然后進(jìn)行全鍍金處理。“4”為芯片，通過摩擦焊工藝，焊接到金屬封裝外殼內(nèi)腔底部，再采用金絲鍵合工藝將芯片與寬扁平引線進(jìn)行微組裝； “5”為陶瓷蓋帽，用于與金屬封裝外殼形成密封腔體，以保護(hù)其內(nèi)部電路，從而形成完整的電路器件。

一般情況下，金屬封裝外殼銀銅焊料流淌處會(huì)形成 0.02~0.05 mm 的高度差，如果焊料無規(guī)則的流淌至焊接區(qū)，將形成一個(gè)凹凸不平、不規(guī)則的表面，若此時(shí)進(jìn)行摩擦焊接，芯片容易虛焊，嚴(yán)重者將導(dǎo)致芯片斷裂，影響器件質(zhì)量和可靠性。故采用摩擦焊工藝進(jìn)行微組裝時(shí)，金屬封裝外殼的內(nèi)腔底部芯片 焊接 區(qū)（行業(yè) 內(nèi)一 般要 求距 離四 周內(nèi) 側(cè)壁0.50 mm 的區(qū)域范圍）不允許有焊料流淌，如圖 2 陰影區(qū)域所示。

熔化的焊料首先需在焊接部位完成潤(rùn)濕和鋪展，此時(shí)焊料與金屬母材之間會(huì)發(fā)生相互溶解和擴(kuò)散，從而形成金屬間化合物［1］ 。而阻焊顧名思義是阻止、限制焊料流淌或鋪展到需要保護(hù)的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，從而阻止其與基材發(fā)生相互溶解和擴(kuò)散。阻焊的目的是避免由此帶來的相互反應(yīng)或受其干涉、影響而導(dǎo)致焊接件功能的降低甚至失效。

阻焊層材質(zhì)的選擇一方面不能與金屬釬焊浸潤(rùn)或反應(yīng)，另一方面要方便清洗、去除，從而不影響后續(xù)工藝的實(shí)施。陶瓷材料的配位鍵主要有離子鍵和共價(jià)鍵兩種，都非常穩(wěn)定，因此一般的金屬釬料對(duì)陶瓷是沒有潤(rùn)濕性的［3］ 。鑒于此，選擇耐高溫且不易與金屬釬料浸潤(rùn)的氮化鋁或氧化鋁粉作為阻焊材料，與非離子型分散劑、溶劑、燒結(jié)助劑、塑性劑和粘結(jié)劑等幾種有機(jī)溶劑混合制備成阻焊漿料，然后采用絲網(wǎng)印刷工藝印制到殼體需要阻焊的位置來阻止焊料的流淌、滲透，從而達(dá)到阻焊的目的。

殼體制備工藝流程設(shè)計(jì)為：先進(jìn)行 CPC 底板、寬扁平引線、陶瓷環(huán)以及焊料等零配件加工，然后采用石墨模具將幾種零配件按照結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行定位、夾緊，送入銀銅釬焊鏈?zhǔn)綘t中進(jìn)行釬焊，最后對(duì)殼體進(jìn)行電鍍鎳金表面處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始方案

初始實(shí)驗(yàn)方案直接在 CPC 底板上印制阻焊漿料來進(jìn)行阻焊。具體為：采用絲網(wǎng)印刷工藝，將氮化鋁漿料印制到 CPC 底板上，并經(jīng)過 50℃、20 min的工藝條件將其烘干、固化，實(shí)物如圖 3所示。

阻焊層制備完成后，將其與焊料、陶瓷環(huán)、寬扁平引線等零配件按照工藝要求進(jìn)行組裝并進(jìn)行釬焊，如圖 4所示。最后，對(duì)其進(jìn)行鍍鎳鍍金處理。

此方案在制備過程中遇到了以下問題：

（1）阻焊效果不理想。阻焊層與 CPC 底板結(jié)合力不牢，再加上是區(qū)域滿幅印制，阻焊層內(nèi)應(yīng)力過大，加劇了其邊緣與底板分層的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步導(dǎo)致阻焊失敗。

（2）氮化鋁阻焊層與 CPC 底板結(jié)合力不牢，容易脫落。氮化鋁阻焊漿料直接印制在裸 CPC 底板表面上，受到外力時(shí)，哪怕很輕微的觸碰后，阻焊層都有脫落現(xiàn)象，如圖 5所示。

鑒于此，有必要對(duì)上述方案進(jìn)行優(yōu)化，以解決焊料流淌阻擋效果不理想問題。

2.2 優(yōu)化措施

針對(duì)氮化鋁阻焊失效原因，采用 ZEISS SIG?MA?500 掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行微觀分析，其微觀組織結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。由圖可見，氮化鋁阻焊層內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較松散，顆粒之間有明顯的間隙或孔洞，并且其與基體材料接觸面處存在著一條明顯的界面，界面附近出現(xiàn)孔洞或者裂紋，容易在這些缺陷附近形成應(yīng)力集中［4］ ，這是其結(jié)合力不牢、阻焊效果不理想的主要原因。

另一種陶瓷粉體 — —氧化鋁阻焊漿料形成阻焊層后，微觀組織結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。從圖中可以看出，氧化鋁阻焊漿料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯優(yōu)于氮化鋁阻焊漿料，顆粒之間被漿料緊緊包裹，沒有間隙或孔洞（圖中上側(cè)及右側(cè)孔洞為研磨制樣時(shí)顆粒磨削脫落所致）。最為關(guān)鍵的是氧化鋁阻焊層與CPC 基材接觸界面處沒有明顯的“分界線”，甚至部分顆粒已經(jīng)嵌到了 CPC 表面較軟的銅基體內(nèi)，形成了“犬牙交錯(cuò)”的結(jié)構(gòu)。由此可知，氧化鋁阻焊層與基體的結(jié)合強(qiáng)度比較高，其作為阻焊層使用時(shí)，應(yīng)該能夠?qū)︺y銅焊料滲透起到很好的阻擋作用。所以本文選用氧化鋁作為對(duì)高溫銀銅焊料阻焊的材料。

同時(shí)，針對(duì)氧化鋁阻焊漿料與基材之間結(jié)合力比較強(qiáng)的特點(diǎn)，工藝優(yōu)化時(shí)，對(duì)印制結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了調(diào)整。原阻焊印制為一塊長(zhǎng)方形區(qū)域滿幅印制，其缺點(diǎn)為阻焊漿料用量大、成本高，而且阻焊層內(nèi)應(yīng)力大，其邊緣容易與底板出現(xiàn)分層現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了阻焊失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文提出了框形印制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，如圖 8所示。

采用框形印制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）相對(duì)于區(qū)域滿幅印制而言，所需漿料量大大減少，降低了原材料成本；（2）降低了阻焊層的內(nèi)應(yīng)力，提高了其邊緣與底板的結(jié)合力，從而提高了阻焊的可靠性；（3）框形印制阻焊漿料覆蓋區(qū)域面積減少，降低了后道清洗的難度和工作量。

圖9（a）和（b）分別給出了原工藝路徑和優(yōu)化后的新工藝路徑。原工藝采用的是氮化鋁阻焊漿料，區(qū)域滿幅印制結(jié)構(gòu)；而新工藝采用的是氧化鋁阻焊漿料，并且采用框形印制結(jié)構(gòu)。另外，為進(jìn)一步提高鍍鎳層與基體的結(jié)合力，新工藝在印制氧化鋁阻焊漿料之前增加了CPC底板鍍鎳及高溫?cái)U(kuò)散處理工藝。

采用新工藝制備的產(chǎn)品掃描電鏡如圖 10所示。從圖中可以看出，相對(duì)于未設(shè)計(jì)阻焊層的結(jié)構(gòu)（其掃描電鏡如圖 11 所示），氧化鋁阻焊層對(duì)銀銅焊料流淌起到了很好的阻擋作用，有效阻止了焊料往芯片摩擦焊接關(guān)鍵區(qū)域的流淌。

原因分析為，氮化鋁是一種共價(jià)鍵化合物，具有穩(wěn)定的六方晶型［5］ ，自擴(kuò)散系數(shù)小，致密化非常困難［6］ ，并且其顆粒形狀尺寸差異較大，與前述漿料制備采用的有機(jī)溶劑之間相容性不好，導(dǎo)致阻焊漿料內(nèi)應(yīng)力過大，容易在界面和漿料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，從而易被高溫焊料穿透，起不到阻焊的作用。而氧化鋁為三方晶系氧化物，顆粒尺寸較小且相對(duì)均勻。氧化鋁粉越細(xì)，燒結(jié)比表面能越大［7］ ，從而有效促進(jìn)擴(kuò)散速率，能夠與漿料制備采用的有機(jī)溶劑充分的混合接觸。二者之間的相容性比氮化鋁好，降低了漿料的內(nèi)應(yīng)力，提高了漿料與基體的結(jié)合力，從而可以實(shí)現(xiàn)阻焊的目的。

采用硬毛刷對(duì)印制阻焊區(qū)進(jìn)行刷洗，可以徹底去除氧化鋁阻焊層，不會(huì)對(duì)后道電鍍工藝造成影響。圖 12 和 13 分別給出了未設(shè)計(jì)阻焊結(jié)構(gòu)和采用氧化鋁阻焊的金屬封裝外殼成品實(shí)物。從中可以明顯看出，未采用阻焊結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔焊接區(qū)域有明顯的焊料流淌堆積，而采用阻焊結(jié)構(gòu)的相應(yīng)區(qū)域沒有焊料流淌堆積，能夠滿足芯片摩擦焊使用要求。

2.3 跟蹤驗(yàn)證

通過對(duì)技術(shù)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行多個(gè)、連續(xù)批次的生產(chǎn)跟蹤，發(fā)現(xiàn)阻焊效果良好，滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要 求。 抽取 了連 續(xù)三 個(gè)批 次的 產(chǎn)品 按照GJB2440A—2006《混合集成電路外殼通用規(guī)范》的要求進(jìn)行了相關(guān)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果也均合格，具體如表 1所示。

3 結(jié)論

為解決金屬封裝外殼高溫銀銅（Ag72Cu）釬焊時(shí)焊料流淌不受控問題，本文開展了氮化鋁和氧化鋁兩種阻焊技術(shù)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，氮化鋁阻焊漿料固化后形成的阻焊層微觀組織比較稀疏、不致密，顆粒之間以及顆粒與基材界面之間有明顯的孔洞或“分界線”，結(jié)合力比較弱，阻止銀銅焊料流淌的效果不好。而氧化鋁阻焊漿固化后形成的阻焊層微觀組織致密，顆粒之間以及顆粒與基材界面之間形成了“犬牙交錯(cuò)”的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合力強(qiáng)，能夠有效阻止銀銅焊料的滲透、流淌。另外，采用框形印制替代區(qū)域滿幅印制，可減小阻焊層的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高阻焊的可靠性。

審核編輯 黃宇