黑瓷封装工艺的研究

黑瓷封装工艺的研究刘笛、金元石、贺玲（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳110032）摘要：伴随着微电子封装行业的迅猛发展，一批新兴的封装方式涌现，但黑瓷封装依靠不可替代的特性依然在军、民品封装中具有广阔市场，因此对其封装工艺进行研究有着重要的意义，在本文中根据对黑瓷封装特性的研究，设计出了满足黑瓷封装特性的工艺温度曲线，通过封盖试验，找出各关因素（氮气，温度，加热时间）对黑瓷封装效果的影响关键字：黑瓷封装、黑瓷封装特性、黑瓷封装的温度曲线文献标识码：A中图分类号：TN305.94ResearchtheBlackCeramicPackagingProcessLiuDi、JinYuan-shi、HeLing(The47thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shenyang110032,China)Abstract:Withrapiddevelopingofmicroelectronicpackageindustry,manynewpackagingmodesareemerging.However,blackceramicpackageisstillofabroadmarketinmilitaryproductsandgeneralproducts.Therefore,researchingitspackagingprocessisnecessary.Basingonblackceramicpackagingcharacters,wedesignprocesstemperaturecurve.thatitmeetblackceramicpackagingcharacters.Bysealinglidtest,wefindouteffectinsealingaboutnitrogen、temperature、heatingtime。KeyWords：BlackCeramicPackage、Ceramicpackagingcharacter、Thetemperaturecurveofblackceramicpackage1．引言与传统的利用金属熔封的陶瓷封装技术不同，黑瓷封装是以低熔点玻璃做为材质对IC进行封装的技术，黑瓷是各种IC封装的理想封装材料，其具有气密性好，遮光性好，抗辐射性能高，防潮，具有良好的机械，电气和化学性能，且其封装工艺简单，价格低，可靠性高，一般黑瓷封装在通有保护性气体氮气的链式炉或者在真空烧结炉中进行封装所以比较适于大批量的生产。黑瓷封装技术已经广泛的应用于军工产品和民用产品中。其一些不可替代的特点使其具有广阔的市场前景和发展空间。2.低熔点玻璃封装工艺对材料及工具的要求：2.1低熔点玻璃封装工艺对所用材料的要求：黑陶瓷熔封外壳系由黑色高纯氧化铝陶瓷基座、上盖和表面要有铝层的铁镍合金引线框架等三件所组成。陶瓷基座和上盖通过丝网淹印分别印刷具有一定厚度和熔封温度低的低熔玻璃，并且事先用低熔玻璃将引线框架预烧固定在陶瓷基座上的，芯片内腔中烧渗有金层。当芯片组装键合完备后．将陶瓷上盖与基座重叠在一起。装在模具中，在规定的熔封温度下．按照一定的温度曲线和熔烧气氛。通过低熔玻璃将其熔封成为一个整体，从而形成气密的、电性能和化学性能良好的封装结构。[1]以低熔点玻璃作为封装材料，应具有如下特性[2]：1)线膨胀系数能和被封焊的陶瓷，金属相匹配，从而保证封装元件具有一定的强度和经受温度，气候，机械等环境考验;2)在封装过程中，低温玻璃熔凝过程中不能由玻璃中产生有害物质，进而影响封装后的内部气氛;3)基座上因为有金属引线框，所以要求低熔点玻璃对金属有良好的浸润性，且使其能够与金属表面的薄氧化层熔凝在一起;4)低熔点玻璃软化温度要低，以保证封装在尽量低的温度下进行，并坚持“就低不就高”的原则，因为温度过高容易导致芯片，键合引线，引线框架的变形变坏，并对其封装后的产品的外观造成影响;5）封装后的玻璃在与酸，碱，水，空气或其它介质物接触时，应具有良好的化学稳定性和绝缘性能.2.2低熔点玻璃封装工艺对所用设备的要求：在进行黑瓷封装时，要求设备可以灵活的调控温度值，可以提供充分的保护性气氛或真空状态，且必须具备大批量生产的条件，应用表明链式炉完全可以达到研究生产的要求2.3低熔点玻璃封装工艺对所用模具的要求：低熔点玻璃封装对模具的要求也很严格。必须具备精确的定位槽和定位针，且模具材料应具有在高温环境下不变型的特性。在封装过程中，盖板与基座若未对准，会出现错位现象，封装模具的精确度是提高封装合格率的关键因素之一，3.对黑瓷管壳进行温度试验根据低熔点玻璃封装工艺对材料的要求，选取黑瓷作为封装材料,封装工艺试验前进行温度摸底试验：将黑瓷管座放到加热台上，逐步升高温度在显微镜下观察它熔化状态的变化，观察到在380℃时黑瓷开始熔化，400℃时开始呈现熔融状态，420℃时熔化到最佳，因为黑瓷是在通有氮气作为保护气的琏式炉中进行封装，实际封装中的软化温度大概应该在420度时开始软化，通过温度试验得出进行黑瓷封装时的熔融区的工作温度不能低于400℃，我们将温度升高、时间加长出现玻璃焊料外溢且气孔变多的现象，缩短加热时间，则玻璃焊料收缩，气孔变多。根据上述要求，黑瓷封装需要合适的烧结温度和恒温时间，因此在进行实际的黑瓷封装实验时，我们将封装温度的峰值范围控制在400到470摄氏度之间，且恒温时间不宜太长。4.对黑瓷管壳进行封装试验低温玻璃密封的主要问题是外观质量。机械强度和气密性，这三者之间又有些相关性[3]。通过调节工艺达到三者的最优。4.1封装试验中恒温时间的设定：在封装中，盖板和基座的大小决定封装时恒温时间的长短，尺寸越大要求恒温时间越长。我们采用Dip20，Dip28两种不同的管壳，在试验中，Dip20的恒温时间在16分钟左右，Dip28的恒温时间在20分钟左右，只有满足了恒温时间才能达到预期的封装效果4.2封装试验中温度曲线的选用：根据温度试验的结果，在保证炉体内氮气浓度的前提下，选择温度曲线1进行封装试验，温度曲线如图1图1温度曲线1进行实验，速度为1.9mm/s，封装后观察由于温度过高，速度过慢造成焊料过溢，变色有爬盖的现象出现，故想降低温度但为了保障加热的时间所以必须加长工作区的长度，适当的提高带速，这样也有利于延长机器的使用寿命在上面试验的基础上对各温区温度进行调解，温度曲线2如图2：图2温度曲线2实际进行封装试验，对封装后的样品进行目检，发现在盖板和基座之间的封装区域有局部的黑色瑕疵（多在两个管脚之间出现），这是由于封装的温度过低造成的，因为温度略低，会造成焊料在没完全流淌前就已经开始进行冷却降温，造成局部熔封并不完全出现黑色的瑕疵，但做检漏试验证明并无漏气现象，该现象只对产品外观的美观程度和扭矩力产生影响。因此在上述实验的基础上对温度曲线进行调整，做出温度曲线3如图3：图3.试验三的温度曲线观察到盖板和基座之间焊料流淌均匀，无瑕疵和无空洞，也不存在爬盖现象，进行检漏试验百分之百合格，并且通过一系列的应力实验，在该温度曲线下封出的产品扭拒力达到最大，间接的说明焊料熔融及流淌充分。调节不同的温度，观察不同温度下黑瓷封装的效果，可以得出，如果温度过高，会使焊料过溢流淌，出现焊料变色，有明显的爬盖现象，内部的蜂窝也会有所增加，影响了封装后的扭矩力，如果封装温度过低，封装后则会出现大量的空洞甚至未封上，在盖板和基座间还会出现黑色的瑕疵。对其外观和扭矩力都有一定的影响，在用链式炉进行封装试验时，不但要考虑温度对封装效果的影响还要充分考虑带速，带速过快会缩短预热和恒温加热时间，造成内部水汽排除的不彻底且也影响了封装效果，带速过慢则会造成焊料的过溢流淌孔洞的增多，在实际封装中，温度和速度是两个相互依存的因素，我们需要综合考虑才能得到良好的效果。5.试验结论：根据封装试验结果，在实验和预计的生产中，按照试验三的温度曲线进行操作达到的效果最佳。三种温度曲线做对比，可以看出在温度达到封装温度前加入了一个290度以下低温的预热温区，使被封装的黑瓷中所含的水汽和其他气体尽早的挥发出去，以免在封装过程中残留在内部形成不应该有的气泡，在预热温区及熔融温区间加入一个温度的凹点，使预热结束后的升温速率变大，有助于焊料内的气体进一步排除。当内部温度达到400度以上后黑瓷开始进行熔封工作区，其工作区长度在150cm左右，理想状态下的熔融温度曲线应该是一个恒温曲线，但在实际生产中很难达到，因此采用调节带速的方法，使其缩短在高温点处的受热时间，以达到理想的情况。在降温过程中保持适当的降温速率，使其不能因为降温速率过快而产生应力。6.参考文献：[1]薛成山裴志华。《VLSI低温玻璃封帽技术研究》[J]微电子技术，1996年，24卷，第5期：29页-33页[2]河村励松浦一朗。《采用低熔点玻璃封装的IC封装技术》[J]《微纳电子技术》1982年，第4期；第64～70页[3]丁荣峥。《低温玻璃高可靠气密密封》[J]微电子技术，1994年，22卷，第2期：第15页-20页刘笛（1984年），性别：男，民族：汉，籍贯：沈阳，助理工程师，2007年毕业于沈阳理工大学，学士学位，主要研究封装工艺及设计联系电话：[phone]或31524250，第二研究室第一给出文章的中图分类号第二参考文献中要给出卷和期以及起止页码第三，第一作者刘笛现在是助理工程师吧