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空洞作為集成電路常見(jiàn)的密封焊接缺陷，通常會(huì)使產(chǎn)品的封蓋強(qiáng)度及氣密性降低，存在可靠性隱患，隨著服役時(shí)間的推移，極易引發(fā)產(chǎn)品失效。然而，空洞的形成是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，由溫度曲線(xiàn)、焊接壓力、原材料表面狀態(tài)、焊料環(huán)設(shè)計(jì)、焊接氣氛以及柯肯達(dá)爾效應(yīng)等多種因素導(dǎo)致。高可靠性器件對(duì)封蓋空洞控制有嚴(yán)格要求，如現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GJB548B-2005方法2012中3.10.2.2條就明確規(guī)定“有缺陷的密封：不管哪種類(lèi)型的器件，只要其整個(gè)封蓋密封是不連續(xù)的，或密封寬度不到設(shè)計(jì)密封寬度的75%，就應(yīng)拒收”。

氣密封器件的封蓋密封焊接主要分為升溫、保溫、降溫三個(gè)階段。焊料在升溫和保溫階段，管殼、蓋板的鍍層就會(huì)向熔融焊料中熔解及擴(kuò)散，而在降溫階段，焊料將從熔融狀態(tài)共晶成為固態(tài)，密封空洞也在這個(gè)階段最終形成。

按照空洞的外觀形貌，可以分為線(xiàn)狀空洞，環(huán)狀空洞、蒸氣狀空洞等典型三種形貌。

線(xiàn)狀空洞

線(xiàn)狀空洞是指由多個(gè)細(xì)小的空洞連接成線(xiàn)，均勻出現(xiàn)在封接環(huán)四周，主要集中分布在封接環(huán)內(nèi)側(cè)、離封接環(huán)外側(cè)邊緣較遠(yuǎn)的空洞。

線(xiàn)狀空洞形成的主要原因是封接環(huán)兩端焊料存在溫度差異。焊料在降溫階段可能存在溫度梯度，當(dāng)環(huán)境溫度先于內(nèi)腔氮?dú)饨档偷焦簿c(diǎn)以下時(shí)，此時(shí)靠近封接環(huán)外側(cè)的焊料率先熔融固化，隨著溫度的持續(xù)降低，內(nèi)腔氮?dú)鈮簭?qiáng)也逐漸下降，導(dǎo)致焊料與蓋板之間的熱平衡被打破，此時(shí)靠近封接環(huán)內(nèi)側(cè)的焊料還在繼續(xù)向內(nèi)熔融，直至溫度達(dá)到共晶點(diǎn)時(shí)固化，在應(yīng)力的相互作用下，分界點(diǎn)附近緩慢產(chǎn)生細(xì)微空洞。

另外，封接環(huán)寬度與焊縫寬度差異較大，會(huì)導(dǎo)致焊料不足以全面覆蓋，從而產(chǎn)生線(xiàn)狀空洞。

圖1 線(xiàn)狀空洞典型形貌

環(huán)狀空洞

環(huán)狀空洞是指主要出現(xiàn)在封接環(huán)轉(zhuǎn)角處呈環(huán)形或半圓形面積較大的空洞。

圖2 環(huán)狀空洞典型形貌

環(huán)狀空洞大多數(shù)出現(xiàn)在大腔體、大尺寸的集成電路中，由于腔體和尺寸較大，蓋板與下方的空腔管殼就形成了“梁式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加封蓋壓力時(shí)，夾具就作用在蓋板中心區(qū)域，導(dǎo)致蓋板轉(zhuǎn)角處發(fā)生輕微翹曲。而大腔體、大尺寸集成電路所需的焊接壓力也較大，其形變程度也較大，造成焊料分布不均勻。另外，當(dāng)焊接壓力不足的情況下，轉(zhuǎn)角處的焊料流速將降低，呈現(xiàn)焊料堆積，所以填滿(mǎn)同樣大小面積轉(zhuǎn)角處就需要更多的焊料，但轉(zhuǎn)角區(qū)域的焊料是有限的，焊料缺失的部分就形成了大面積空洞。

蒸氣狀空洞

這類(lèi)空洞是由眾多小空洞組成，并在封接環(huán)密封區(qū)外邊緣處開(kāi)始并向內(nèi)側(cè)蔓延。研究顯示蒸氣狀空洞的形成機(jī)理主要是由于密封溫度過(guò)高，焊料熔融時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在其他條件保持不變的情況下，將密封峰值溫度從310℃逐步增加到330℃時(shí)，蒸氣狀空洞會(huì)沿著密封區(qū)外側(cè)邊緣位置開(kāi)始聚集；當(dāng)峰值溫度繼續(xù)增加，蒸氣狀空洞帶的寬度開(kāi)始向內(nèi)蔓延，直至鋪滿(mǎn)整個(gè)密封區(qū)。

 圖3 蒸氣狀空洞典型形貌

另外，在封裝過(guò)程中，管殼焊縫、鍍層及粘接材料釋放的氣氛，也是導(dǎo)致產(chǎn)生蒸氣狀空洞的原因之一。

降低空洞的措施

緩解線(xiàn)狀空洞，可以考慮對(duì)封接環(huán)內(nèi)側(cè)充分補(bǔ)充焊料或提高焊接壓力，但增加焊料用量及提高焊接壓力雖然可以有效減少線(xiàn)狀空洞的產(chǎn)生，但焊料過(guò)多或焊接壓力多大，會(huì)導(dǎo)致焊料堆積，繼而埋下腔體內(nèi)部產(chǎn)生多余物的隱患。因此針對(duì)環(huán)狀空洞大多數(shù)集中在封接環(huán)內(nèi)側(cè)的特點(diǎn)，可以將焊料環(huán)設(shè)計(jì)在密封區(qū)偏內(nèi)側(cè)的位置，從而針對(duì)性地為密封區(qū)的內(nèi)側(cè)提供充足焊料。所以降低線(xiàn)狀空洞的關(guān)鍵在于做好蓋板、封接環(huán)比例及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用適當(dāng)?shù)暮附訅毫Γ?N~5N）。

降低環(huán)狀空洞形成的關(guān)鍵在于應(yīng)盡量避免蓋板翹曲，從而使密封壓力均勻施加在蓋板及封接環(huán)上。

降低蒸氣狀空洞形成的關(guān)鍵是在保證氣密性的前提下采用較低的密封峰值溫度，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)高溫烘烤的時(shí)間來(lái)排除多余的氣氛，消除氣泡。

檢測(cè)空洞的技術(shù)手段

首選X射線(xiàn)測(cè)試儀進(jìn)行無(wú)損觀察，其次可以選擇金相切片或開(kāi)封觀察蓋板背面的焊料覆蓋情況來(lái)進(jìn)行判斷。