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中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051 常青松，姜永娜
摘要:氣密封裝工藝技術是混合電路制造的關鍵技術。在可靠性要求較高的場合，對混合電路產品提出了水汽含量、漏氣率和粒子碰撞噪聲檢測(PIND)合格率的指標要求。封裝內部的多余物對電子器件的可靠性帶來嚴重影響。主要從盒體的表面鍍層方面進行討論，分析了不同的金屬化結構和不同的鍍層厚度對氣密封裝的影響。實驗表明，當封裝使用的壓力較大時，化學鍍鎳外殼的鍍層容易出現(xiàn)裂紋，造成外殼銹蝕。外殼使用化學鍍鎳、電鍍金結構時，其PIND不合格率較高。當鍍層厚度超標時，不僅PIND不合格率較高，也會出現(xiàn)漏氣問題。
關鍵詞:化學鍍鎳;電鍍鎳;鍍層厚度;密封;粒子碰撞噪聲檢測
中圖分類號:TQ153.12 文獻標識碼:A 文章編號:1003-353X(2011)06-0483-04
0·引言
隨著對微波電路產品可靠性要求的提高，人們對產品的封裝質量提出了更高的要求。不再僅僅滿足于產品的密封性，對內部的多余物的控制、內部水汽含量等方面也提出了更高的要求。以前，對提高封裝質量，大多從優(yōu)化工藝參數(shù)入手，對外殼的要求也僅僅滿足GJB2440標準。經過實驗分析，鍍層質量會對封裝質量產生很大的影響。本文主要從這些方面來進行分析研究。
1·常見的外殼表面鍍涂
一般外殼的表面都要進行鍍涂，鍍層是鍍鎳或鍍鎳金。鍍鎳又分為化學鍍鎳和電鍍鎳。外殼的鍍層一般為電鍍鎳/電鍍金或電鍍鎳金/鎳金復合鍍層，對于儲能焊封裝的管帽，有的廠家選擇化學鍍鎳，有的選擇電鍍鎳。平行縫焊的蓋板，表面鍍層一般為化學鍍鎳、電鍍鎳金或電鍍鎳金/鎳金復合鍍層。
化學鍍鎳和電鍍鎳相比，具有鍍層均勻、熔點低、抗蝕性好的特點。兩者的比較如表1所示[1]。表中:HV為硬度(鍍態(tài));κ為相對磁化率;ρ為電阻率;λ為熱導率;t為熔點。
2·鍍層對密封性的影響
2.1鍍層對儲能焊封裝密封性的影響
儲能焊的封裝方式，采用TO-8C管殼進行實驗，管殼鍍層為表面電鍍鎳金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，管帽采用不同的鍍涂工藝，一種是采用電鍍鎳，另一種是化學鍍鎳。鍍鎳層厚度為3～8μm。實驗的目的是分析化學鍍鎳和電鍍鎳對密封的影響。
兩者的封焊參數(shù)除電壓略有不同外，其余參數(shù)完全相同。每種實驗的數(shù)量為100只，經過實驗發(fā)現(xiàn)采用化學鍍鎳的管帽封裝漏氣數(shù)量為4只，合格率為96%，而采用電鍍鎳管帽的合格率為100%。對漏氣的部位進行定位，發(fā)現(xiàn)漏氣的原因是由于封裝時的熔融物飛濺造成的。熔融物也是產生PIND不合格的原因之一，這是由于鍍層中的磷和部分添加劑在高溫下汽化極易造成氣孔或飛濺，造成產品漏氣。
2.2鍍層對平行縫焊密封性的影響
儲能焊是瞬間大能量單脈沖放電，而平行縫焊是一系列小能量脈沖放電，是靠焊輪滾過管殼的焊縫，從而達到密封的目的。平行縫焊比儲能焊相對緩和一些。
實驗的管殼是電鍍鎳金，以SM25為例，殼體采用電鍍鎳金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，蓋板采用化學鍍鎳/電鍍金，鍍層厚度為鎳層3～8μm，金層1～1.5μm，封裝100只產品，合格率為100%。
采用化學鍍鎳蓋板，與電鍍鎳蓋板相比，需要更低的能量。兩種鍍層對封帽的密封性幾乎沒有影響。
3·鍍層對外觀質量的影響
3.1化學鍍鎳對蓋板外觀質量的影響
采用化學鍍鎳/電鍍金工藝生產的蓋板，在經過環(huán)境實驗后鍍層變色，如圖1所示。原因分析:由于化學鍍鎳為含磷鎳，如果表面的金鍍層不能把鎳層完全覆蓋，含磷鎳氧化可能會使鍍層變色。
3.2化學鍍鎳對管帽外觀的影響
以DIP封裝的外殼為例，采用化學鍍鎳的管帽在封裝后，封帽沿處出現(xiàn)細微的裂紋，如圖2所示。而采用電鍍鎳管帽，沒有出現(xiàn)類似問題。
盡管化學鍍鎳有很多優(yōu)勢，但由于化學鍍鎳鍍層硬而脆，在封裝壓力作用下，造成局部鎳層產生裂紋，即使在不加電的情況下，純粹施加壓力，鍍層也會產生裂紋。裂紋也和化學鍍鎳層厚度有關，當鍍鎳層厚度較厚時，出現(xiàn)裂紋的概率較高。目前，國內多家管殼廠家的化學鍍鎳層磷的質量分數(shù)一般為6%～9%，而HCCIndustries公司采用化學鍍含硼鎳，硼的質量分數(shù)為0.1%?；瘜W鍍含硼鎳的實際效果如何，需要進一步的分析研究。
4·鍍層對PIND的影響
4.1化學鍍鎳和電鍍鎳對PIND的影響
采用儲能焊封裝時，使用化學鍍鎳的管帽，對產品的密封性影響不大，由于熔融物飛濺，會影響產品的PIND合格率。
而采用平行縫焊封帽時，使用化學鍍鎳的蓋板，其PIND合格率也可以，比采用電鍍鎳的蓋板略差，而使用化學鍍鎳、電鍍金的蓋板時，PIND合格率急劇下降，對封裝的產品按照GJB548，方法2020進行內部多余物的分析，其PIND不合格率高達30%～40%。因此在考慮平行縫焊盒體表面鍍涂時，盡量避免使用該種金屬化方式。
4.2鍍層厚度對PIND的影響
即使采用電鍍鎳金，當鍍層的厚度不同時，也會對產品的封裝質量帶來影響，GBJ2440A-2006混合集成電路外殼通用規(guī)范中對鍍鎳層和鍍金層厚度的規(guī)定，電鍍鎳層厚度(在主平面測量或在徑向上測量)應為1.3～8.9μm，引線或引出端的鍍金層厚度應為1.3～5.7μm，殼體鍍金層厚度應為0.3～5.7μm。一個殼體的鍍層厚度監(jiān)測點有內引線、基片安裝區(qū)、密封區(qū)等，都應滿足最小厚度要求。
盒體的內腔形狀不同，電鍍的均勻性也不同。廠家不同，對鍍層均勻性的控制能力也不同。外殼生產廠家比較關注的鍍層區(qū)域為盒體的引線、基片安裝區(qū)以及蓋板表面的鍍層，位置如圖3和圖4所示。對用戶而言，除這些區(qū)域的鍍層厚度滿足要求外，更關注的是密封區(qū)的鍍層厚度。單純測量基片安裝區(qū)、外殼背面、蓋板表面時，不同廠家的鍍層厚度都能滿足GBJ2440A-2006混合集成電路外殼通用規(guī)范中對鍍鎳層和鍍金層厚度的要求，但當測試范圍包含密封區(qū)時，不同廠家對鍍層厚度均勻性的控制的差距就比較大，表2是鍍層包含密封區(qū)兩個廠家的鍍層厚度范圍對比。表中:Δd1為蓋板鍍層范圍;Δd2為盒體鍍層范圍;dmax為最大總厚度。
平行縫焊的封裝質量和焊縫中鍍層的總厚度有關，當鍍金層總厚度小于4.6μm、鍍鎳層總厚度小于16.0μm時，封帽后產品的PIND合格率優(yōu)于95%;隨著鍍層厚度的增加，出現(xiàn)PIND不合格率的概率也在增加，當鍍金層總厚度超過6μm、鍍鎳層總厚度達到30μm時，PIND不合格率超過20%。
5·結語
盡管化學鍍鎳具有抗蝕性、均勻性的優(yōu)點，當其鍍層偏硬，在封帽時，部分產品的鍍層會出現(xiàn)裂紋。采用化學鍍鎳/電鍍金工藝生產的蓋板，在經過環(huán)境實驗后鍍層容易變色，可能由于化學鍍鎳為含磷鎳，如果表面的金鍍層不能把鎳層完全覆蓋，含磷鎳氧化可能會使鍍層變色。在封帽時，使用化學鍍鎳、電鍍金的蓋板出現(xiàn)PIND不合格率的概率較大，應避免使用這種鍍層組合。即使采用電鍍鎳金，表面鍍層厚度的不同，也會對產品的PIND不合格率帶來不利影響，在實際生產中應加以控制。
參考文獻:
[1]張允誠，胡如南.電鍍手冊[K].北京:國防工業(yè)出版社，1997.
