玻璃金属封装的作用及其意义

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)。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1×10-3 Pa·cm3／s(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θ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θ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"Δα"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α外金≥α中玻≥α内金的原则。

在匹配封接中，常用的封接材料是4J29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

(20℃~400℃) α:4.6~5．2×10-6℃／；SJ／T10587中规定DM-305的α：48~50×10-7／℃；规定DM-308的α：47-49×10-7／℃；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α系数的选择原则是α外金α中玻<α内金，应用的是压缩封接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

①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；

②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。

①表面状态必须良好，不应有划痕、拉伤等缺陷；

②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

①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；

②有资料介绍，经1100℃×15~30min的处理后，金属中含碳量可降至0．01％，封接时极少出现气泡；

③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30℃~50℃；

④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)；

⑤推荐烧氢退火规范1000℃~1050℃×20min(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+H2(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。

①金属氧化物必须均匀致密；

②氧化层必须与金属紧密粘附；

③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200~800nm(测厚法)或d．0.03mg~0.07mg/cm2(称重法)。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)。

④推荐预氧化规范：800℃× 10min(空气或湿N2中)。