常见气密封装工艺与封装方法

摘自：半导体封装工程师之家  2019年7月6日 

一、气密封装简介   

一种真正的气密封装将在无限的时间内都能防止污染物（液体、固体或气体）的侵入，然而这并不现实。甚至在最好的密封结构里，扩散现象随着时间的延长总会出现，使得很小的分子（如氦或水蒸气）穿透阻挡材料，最终在封装内达到平衡。气密封装定义为：在这种封装里压入氦气后，其氦的漏率低于某一规定的速率（具体数值与封装尺寸有关），如下表1

气密封装必须是金属、陶瓷、玻璃。有机封装或用一种有机物（塑封料或者塑料）密封的封装可能一开始可以通过表1压力实验，但是他将允许水蒸气来回通过并不断地从大气进入到封装体内部，因此他们并不是真正的气密封装。穿过金属封装的互连可以利用膨胀系数与金属匹配的玻璃形成的玻璃与金属密封进行绝缘。

  气密封装允许把电路安装在密封的充入良性气氛的环境中—一般是充入氮气，他可从液氮得到。这种氮气非常干燥，水汽含量小于百万分之十（10ppm）。为了进一步预防水汽的侵入，在密封前敞开的封装（电路已安装在内腔里）要在真空中加热到较高的温度（通常是150摄氏度）来去除吸附的水汽和其他气体。出于高可靠性的考虑，封装内部的水汽含量不得超过5000ppmv（体积的千分之五）。这一数值低于0摄氏度时的露点（6000ppmv即体积的千分之六），从而保证了凝结的任何水都将以冰的形式存在，这样就不会引起液态水所造成的损伤。

  气密封装防止了污染，可以大大提高电路的可靠性，特别是有源器件的可靠性。一个有源器件对很多潜在的失效机理都很敏感，例如腐蚀，可能受到像蒸馏水、去离子水那样的良性物质的侵蚀，他们会从钝化的氧化物中浸出磷而形成磷酸，从而又会侵蚀铝键合键盘。

二、气密封装-金属气密封装与密封方法

金属封装主要是由ASTM F-15合金，即Fe54-Ni29-Col7合金（通常所说的可伐，Kovar）制成的。所谓腔体式封装是F-15合金板在一组连续的冲模上通过加工成形制成的。再在插入式封装的底部或扁平式封装的侧墙冲制出为引线而设置的孔。然后在封装体上生长出一层氧化物。将硼硅酸盐玻璃（一般是Corning7052玻璃）绝缘子穿在引线上，放在封装体的孔中。将该结构加热到玻璃的熔化温度以上（大约500摄氏度）形成一种反应性的金属-玻璃密封封接。熔融玻璃溶解一部分合金上的氧化物（主要是氧化铁），这些氧化物在冷却时提供键合（如图2），用这种方法形成的玻璃-金属封接有不同的四层：金属、金属氧化物、溶解在玻璃中的金属氧化物、玻璃。

玻璃-金属封接完成后，没有被玻璃覆盖的氧化物必须去除，然后对金属表面进行电镀以保证封装能够被密封，并可使封装的引线可以焊接到下一个更高级的组装中。主要的电镀材料是点解镍，而经常在镀镍的表面镀金以帮助密封和放置腐蚀。封装引线需要镀金以保证引线键合和提高可焊性。尽管化学镀镍有较好的可焊性，但是当引线弯曲时容易破裂。

用这种方式完成的玻璃-金属封接提供了一种优良的气密封接，玻璃与F-15合金的TCE（大约5.0x10-6/℃）非常匹配，使得封装温度循环和温度储存过程中仍能保持气密性。

金属封装中通常是会用3中类型的盖板：凸起的盖帽、平板盖和台阶式盖板。这些也是用ASTM F-15合金按照与封装相同的电镀要求制作。凸起的盖帽用于平板式封装并可以进行熔焊或焊料钎焊。平板盖是用于腔体式封装，主要用焊料钎焊到封装体上。台阶式盖板是通过在F-15合金片上刻蚀出台阶，使得边缘厚度大约为0.1mm。这种盖板是用来平行缝焊腔体式封装的。当这种盖板打算用焊料钎焊时，通常将所需焊机材料的预制片事先粘接在盖板底部四周的边缘上。

金属封装常用密封方法：钎焊、平行缝焊、凸焊或者储能焊接，详细如下。

钎焊过程为表面清洗好的工件以搭接型式装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷凝后即形成钎焊接头。

平行缝焊是沿着盖板边缘滚过一对电极产生一系列搭接汉焊点实现的。盖板和封装壳体的对准十分关键，最好在密封工作腔外面完成。最好的办法是先在盖板与封装壳体搭焊边缘点焊两个点在进行平行缝焊。台阶式盖板对焊接过程十分有利，可以提高良品率。因为与较厚的平盖板相比，只需要较小的功率。与其他封装密封工艺相比，这种密封方法相对缓慢一些，但用平行缝焊密封的封装通过磨掉盖板边缘很容易把盖板开启，由于在密封面处盖板厚度只有0.1mm，用砂轮打磨一次就很容易做到。把分这个谎的密封面稍微抛光一下，就可以用另外一个盖板与他可靠地密封。

某些类型的封装带有法兰，可以使用称为凸焊或者储能焊的工艺进行焊接密封。在这个工艺中电极放在封装壳体的法兰周围，打的脉冲电流通过帽盖和封装壳体形成焊缝。能提供每英寸长度焊缝500磅的压力及12000A电流的大功率电阻焊设备对这些封装是必须的。这种凸焊工艺的最大优点是加工时间短和成本低。最大的缺点在于很难再去除已密封的帽盖以便修理内部的电路。对凸焊过的封装再开帽盖是一种破坏性的过程，封装必须被替换。

三、气密封装-陶瓷气密封装与密封方法

陶瓷封装在这里被认为是一种用与金属封装大致相同的方式把厚膜或者薄膜基板置于内部的封装结构，具有可直接安装元器件的金属化图形的陶瓷结构称作多层陶瓷封装。混合电路的陶瓷封装通产由3层氧化铝组成。底层的氧化铝可以金属化也可以不金属化，主要取决于如何安装基板。中夹层是氧化铝环且被粘接到带有玻璃的底层上，引线框架夹在该氧化铝环与带有另一层玻璃密封的上层氧化铝之间。上层氧化铝环可以金属化以便盖板的钎焊密封，也可以不用金属化而使用玻璃密封盖板。

陶瓷封装常用密封方法：钎焊密封、低熔点玻璃、其他新型，详细如下。

陶瓷封装密封常用的方法是钎焊密封。在封装制造过程中，把一种难熔金属或几种金属的氧化物，如W或一种Mo与Mn的合金，涂覆在密封区四周的陶瓷表面上进行烧结。烧结后，这些金属化表面先后镀镍、镀金，用ASTM F-15合金制成的盖板以相同的方式电镀，在氮气保护的炉内通常用Au80/Sn20合金钎焊到封装上。

一种比较便宜但可靠性稍差的密封方法是使用低熔点的玻璃把一个陶瓷盖板直接密封到陶瓷封装上。他完全避免了金的使用，因而大大降低了成本。与AuSn焊料在大约300摄氏度密封不同，玻璃密封在大约400摄氏度。玻璃密封对机械应力和热应力有些敏感，，特别是在玻璃与封装的界面。

这两种方法都有一个共同的问题，这就是很难把盖板去除进行修理，使得封装再进行重新封装的努力都是徒劳的。一种目前使用越来越多的可替代方法是把如前所述已电镀过镍和金的ASTM F-15合金环钎焊到陶瓷封装的密封面上，然后恶意使用平行缝焊，因为他具有的容易修复的特点。这种方法常常用于多芯片封装设计的多层陶瓷封装。

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