【2017年整理】玻璃金属封装的作用及其意义

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1、玻璃金属封装的作用及其意义时间: 2010 年 06 月 28 日 来源 :书籍 作者: huatian 浏览次数: 376有人说外壳是元器件的躯干与四肢，亦有人说外壳与芯片是唇与齿、皮与肉的关系。总之，人们的共识是：外壳不仅是封装芯片的外衣，对其起有支撑(电连接、热传导、机械保护等) 作用，同时亦是元器件的组成部分。外壳质量的好坏与元器件的质量与可靠性密切相关。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元器件的腔体内而产生表面漏电，结 发生变化、参数变坏等失效模式(据报导，由于腔体内湿气含量大而导致元器件失效的比例为总失效率的 26以上) 。

2、在 GJB548A 的方法 1014A 密封中，对未封盖外壳的气密性作了试验条件 A4 的规定，其失效判据：若无其它规定，如果测量的漏率Rl 超过 110-3 Pacm3s(氦)时，则器件(外壳)应视为失效。本文仅就玻璃与金属的封接机理及原材料、工艺方面与气密性相关因素谈谈个人看法，供有关人员了解、参考。1 玻璃与金属的封接机理从金属外壳的外形、几何尺寸、引线(脚) 数以及引出形式，其中零件可谓五花八门、成千上万种，但按其封接应力(熔封形式)而言，主要是匹配封接和失配封接，究其封接机理将涉及到二个方面的问题：1.1 玻璃与金属的润湿(浸润)问题1.1.1 润湿问题这里所谓的润湿问题则是指玻璃与

3、金属的结合力问题，要想达到玻璃与金属的良好密封，就必须使两者有良好的润湿性。玻璃与金属的润湿同液体对固体表面润湿的道理-样，即如水滴与物体接触时常出现的两种状况一种是水滴在荷叶上呈圆球形，其润湿角 接近 180这种润湿显然是不好的；另一种是水滴落在木板上呈扁平形，其 角近似于 0 ，这便是很好的润湿。1.1.2 氧化物结合学说这种学说认为：玻璃是由多种氧化物所组成，在封接的过程中，金属表面的氧化物能熔入玻璃内，从而成为玻璃成分的一部分，由此获得良好地密封。但该学说未能对高价氧化物能存在于玻璃成分中，并不能与玻璃做到很好的封接作出解释，而电力结合学说则从金属氧化物属于离键晶体结构的观点出发对其作

4、了相应的解释。1.1.3 电力结合学说 这种学说认为：金属表面形成低价氧化物时，金属内层价电子并不参加化合作用，而形成高价氧化物时，金属内层价电子将参加化合作用。因此，金属氧化物的离子半径大小是随金属化合价的高低而不同。在高价氧化物时，由于金属离子半径小，被氧离子紧密包围，使金属离子不能与玻璃中的正负离子很好地结合。当形成低价氧化物时，由于金属离子和周围的氧离子之间形成较大空隙，其电力线可以延伸出来，与玻璃中的正负离子获得最大的结合力和最小的排斥力，从而得到满意的封接。a润湿角与金属化合价间关系b. 金属表面形成高价氧化物时与玻璃的电力线结合关系图c. 金属表面形成低价氧化物时与玻璃的电力线结

5、合关系；d. 金属表面没有被氧化时与玻璃电力线结合关系。 由以上的分析告诉我们，在金属表面形成低价氧化层才能获得玻璃与金属的良好润湿效果。1.2 膨胀系数问题这里所谓的膨胀系数问题则是指在熔封过程中主要是室温至应变点(T g)温度范围内玻璃与金属的膨胀系数应尽可能达到一致，原则上两者膨胀系数之差应不大于 10，这时，便可获得最小的封接应力(既无害应力)，从而获得良好的密封效果。鉴于玻璃能承受较大的压应力，因此，在设计外壳和选择材料时，往往希望外层金属的膨胀系数略高于中间玻璃，中间玻璃的膨胀系数略高于中心金属(引出线、管) 即遵循 外金 中玻 内金的原则。在匹配封接中，常用的封接材料是 4J29

6、 柯伐合金与钼组玻璃相封接 GBN97 中规定 4J29 合金的平均线膨胀(20400) :4.65210 -6；SJT10587 中规定 DM-305 的 ：4850 10-7；规定 DM-308 的：47-4910 -7；有资料报导：当封接温度为 970时，DM-305 的润湿角为 150，DM-308 的润湿角为300。(从玻璃强度耐热度及 TK-100 点来看，DM-308 玻璃略优于 DM-305 玻璃)。由以上的介绍告诉我们，选择。系数的一般原则及匹配封接可获得无有害应力的高强度封接，有助于获取良好的气密封接。在失配封接中，对于 系数的选择原则是 外金 中玻 内金，应用的是压缩封接

7、原理即保证外部金属对中间玻璃产生较大的径向压应力(足以抵消内金属对中间玻璃所产生的径向拉应力) ，最终保证(极易产生漏气部位)内金属与中间玻璃的封接处达到玻璃受到三向压应力，从而提高气密性。笔者在半导体技术1990 年1 期发表了压缩封接及其应力计算公式简介一文，故不对失配封接赘述。2.与气密性相关的因素及注意事项封接机理必须指导工艺，因此优选工艺、严格控制工艺(包括原材料的控制) 才能使封接件获得良好的润湿和最小的封接应力，从而保证其良好的气密性。 2.1 原材料必须严格检查控制2.1.1 原材料必须符合标准规范的规定有资料表明，在某批玻璃中的某种氧化物含量超出 1.4，结果封接温度提高了

8、100，封接质量依旧不好，因此严格材料的检查及批使用前的小样工艺试验是必要的；原材料的杂质含量必须严格控制，有资料表明，4J29 柯伐合金中钛含量达到 0.1时，既使合金中碳量在0.01，封接时亦会产生有害的封接(密集串状) 气泡。2.1.2 金属的表面状态应加以控制 用于电子封接的金属材料其表面质量必须控制。表面状态必须良好，不应有划痕、拉伤等缺陷； 表面粗糙度应有相应规定。表面状态不好将影响玻璃与金属的润湿效果，并会导致产品气密性下降。2.2 优化工艺、严格工艺2.2.1 金属的烧氧退火为了消除封接时在柯伐与玻璃界面处产生有害(密集串状) 气泡，应在高温、湿氢中对金属零件进行去气、脱碳；有

9、资料介绍，经 11001530min 的处理后，金属中含碳量可降至 001，封接时极少出现气泡；为了达到良好的脱碳、去气作用，烧氢退火的温度必须高于封接温度 3050；柯伐合金在 1050时，晶粒度会发生急骤长大，在以后的钎焊、电镀过程中不仅会降低引线强度，亦会导致慢性漏气(晶粒度不宜低于 5 级) ；推荐烧氢退火规范 1000105020min( 可根据金属件的几何尺寸、形状及模具结构对温度作适当调整 )。注：a热处理后的金属件应妥善保存，且不应久放。b新的石墨模具亦可采用退火规范上限温度在 N2 或 H2 中进行。2.2.2 金属的预氧化封接时往往采用中性气氛 N2 或微还原气氛 N2+H

10、2(微量)，为了达到玻璃与金属的良好润湿，对金属必须进行预氧化处理。金属氧化物必须均匀致密；氧化层必须与金属紧密粘附；氧化层厚度应加以控制；氧化层不宜过厚，亦不能过薄，否则均可能导致漏气。a当氧化层太厚时，封接时氧化层不能完全渗入玻璃中，由此氧化层会形成多孔路径(漏气源) ，同样，过厚的氧化层易从柯伐基体上剥落，致使氧化层与底金属分离，因此达不到润湿密封作用。b当氧化层过薄时，玻璃与柯伐封接时不可能有良好的润湿，不仅封接强度差，亦将会在外力作用下，产生引线与玻璃封接处漏气。c有资料介绍，柯伐合金最适当的氧化层厚度是 200800nm(测厚法)或 d0.03mg0.07mg/cm 2(称重法)。

11、生产中多以氧化层的颜色判断，如规定为兰色斗兰黑色(微还原或中性气氛是前提条件) 。推荐预氧化规范：800 10min( 空气或湿 N2 中)。2.2.3 封接温度 封接温度、时间、气氛俗称封接中的三要素，三者相辅相成，绝不可孤立对待。一般对封接气氛采用中性氮气，亦有采用 N2+H2(微量)的微还原气氛( 笔者认为，若有 4 个 9 干燥 N：气氛为宜) 。在固定气氛前提下，温度与时间对封接而言，温度又是主导方面。温度高点，时间可短点；温度低点，时间则可长点；可根据产品结构，装配方式、几何尺寸而定，总之，要保证获得符合要求的良好封接外观。但温度的高低亦是有限度的，一般以无封接外观废品为准，例如：

12、温度过低，玻璃的粘度大，则流动性差，往往会产生漏洞、鼓坯、不平、不光滑的外观(当封接外形达到要求时则就不属温度偏低了)，同时亦会因温度低、润湿性差而产生封接强度低，可能导致产品漏气；温度过高，玻璃的流动性好，易产生流玻(扑玻) 、玻点 (珠)同时亦会因温度过高使玻璃、金属中释放出气体，而产生封接(串状)气泡，导致封接强度差，封接件漏气；推荐封接温度范围：9701020，对于掺 Cr2 O3 或进行某种改性的钼组玻璃，亦可对温度作以适当调整；封接后封接界面亦应有颜色控制，有报导要求呈灰色，如若呈银白色则为氧化不足，如呈黑色则为氧化过重(多为封接时间过长或返烧产品 L 可采取解剖法观察玻璃与金属的

13、粘附情况。2.2.4 电镀功率型、大腔体外壳仅适于挂镀；底板镀层硬度、厚度不宜过大，否则会影响封盖质量；底板镀层金属尽可能熔点低一些，过高会影响封盖质量，对底座的引线局部镀金应加以研究。3.对分析漏气的几点思路应针对外壳漏气的失效模式、不同情况作不同的分析，粗略提出几点分析：3.1.1 多品种普遍产生漏气 应检查原材料的使用及原材料的质量；查工艺规范，重点工序(熔封 )是否发生了变化。3.1.2 单一品种较大比例漏气若未经鉴定的新产品则应查结构设计及工艺的合理性；加工零件的一致性如何。(预氧化、玻坯、金属件尺寸及装配效果、零件外观质量)。3.1.3 环境试验后漏气工艺不合理，内应力大；玻璃强度

14、不好；玻璃热稳定性差。3.1.4 封盖后漏气底座封接质量不好；座、盖配合尺寸不好；座、盖硬度大；座镀层过厚、熔点偏高；封盖模具问题(结构尺寸及粗糙度 )；封盖规范控制不合理。对于严重漏气问题，一则应根据不同失效模式，有针对性地查找原因，做相应工艺试验，同时亦应借助科学的手段对失效样品进行解剖分析：如金相法检查金属晶粒度、氧化层的厚度；用电子衍射测定氧化层的组织成分；用探针记录玻璃与金属的熔封界面状况等，将有助于原因的分析。4.结束语 气密性技术的研究需要不断积累实践经验的同时亦应注重提高理论分析能力，达到二者的结合(除技术问题之外、加强生产管理及质量监督控制亦是非常重要的一个方面)。随着器件发展的需要，对外壳气密性要求亦在提高，对于空间工程要来说，漏率在 10-3Pa*cm2/s，而在海缆工程中则提出达到 10-5Pacm3/s 的要求，尤其是功率器件的发展，提出长寿命、高可靠、高精度的要求。显然，传统封存在有如下不足：玻璃的机械强度较差，易产生漏气或慢漏气；常用金属材料电阻系数偏大，因而导致引线压降偏大，影响输出功率；常用金属材料热传导系数偏小，导热性差，将会降低功耗；常用的金属居里点温度偏低，钼组玻璃的应变点温度偏低，将会使后封装工序中的加工温度受到限制。因此，人们正在从外壳结构、材料及工艺各方面加以研究，更新技术，提高质量，并且已有些成效。