摘要：基于裸芯片的微波组件封装腔体内的多余物严重影响产品的可靠性，减少装配过程中的多余物，特别是导电多余物，对提高产品 PIND 筛选合格率和可靠性具有重要作用。基于某金属陶瓷一体化封装微波组件综合应力筛选失效分析，确定失效原因是平行缝焊封盖时形成的镍金球导致裸芯片

平行缝焊工艺过程镍金多余物控制

（中国电子科技集团公司第 38 研究所）

摘要：

基于裸芯片的微波组件封装腔体内的多余物严重影响产品的可靠性，减少装配过程中的多余物，特别是导电多余物，对提高产品 PIND 筛选合格率和可靠性具有重要作用。基于某金属陶瓷一体化封装微波组件综合应力筛选失效分析，确定失效原因是平行缝焊封盖时形成的镍金球导致裸芯片器件烧毁。通过优化平行缝焊工艺参数、提高电极角度等措施进行改进，有效降低了平行缝焊过程中产生的镍金多余物，使该组件 PIND 筛选合格率提升至 98%。

1 引言

基于裸芯片的微波组件封装腔体内的多余物严重影响产品的可靠性。组件腔体内各类裸芯片器件表面电路直接裸露，通过键合引线进行电气互连，腔体内存在多余物时，特别是导电多余物如铅锡球、导电胶颗粒、壳体碎屑等，在产品发生移动过程中，导电多余物在腔体内无规律不断移动，可能会导致电路工作不正常，严重时会导致裸芯片器件短路烧毁，使整个产品功能失效，而非导电多余物也会在不断移动的过程中损伤裸芯片器件或键合引线，进而影响产品的可靠性和寿命[1-2]。因此，高可靠军事装备要求其使用的基于裸芯片的微波组件必须进行颗粒碰撞噪声检测（PIND，Particle Impact Noise Detection）。本文根据某金属陶瓷一体化封装微波组件失效原因，重点对平行缝焊封盖过程中产生的镍金多余物进行了分析，并采取了相应措施进行控制。

2 产品失效分析

某金属陶瓷一体化封装微波组件装机经综合应力筛选试验后，发现该微波组件存在失效，对故障件开盖并进行故障分析定位，镜检发现芯片表面有多余物和烧毁痕迹，如图 1 所示。经相关试验分析，排除了电源波动和静电损伤的影响因素，最终定位为多余物是该微波组件故障产生的主要原因。

对失效的产品内部多余物进行成分分析，多余物主要成分为镍和金，形态为球形，如图 2 所示，结合尺寸和成分计算，球质量不足 0.2 μg，在产品 PIND 筛选时难以检测发现[1]。据此，对该微波组件的来料和工艺过程进行复查，判断壳体和盖板镀层是镍金多余物来源，产生环节是平行缝焊封盖过程。

3 镍金多余物

3.1 镍金多余物来源

因多余物主要成分为镍和金，形态为规则球形。对该型组件所有物料进行排查，发现其壳体与盖板同时含有镍和金。其中，壳体围框材料为柯伐合金 4J29，厚度 0.5 mm，电镀镍金 （镍层厚 3~11.4 μm，金层厚2.5~5.7 μm）；盖板主体材料为柯伐合金 4J42，电镀镍金（镍层厚 1.3~8.9 μm，金层厚 1.3~5.7 μm），镀层结构如图 3 所示。因此，我们判断该型组件的管壳或盖板镀层是镍金多余物的来源。

因镍金多余物的形状为规则的球形，这种情况只有在金属熔化后再凝固时出现。镍金二元合金相图如图 4 所示，可以看出镍金合金的最低熔点为 955 ℃。故该多余物只有在温度超过 955 ℃时才会产生。复查组件整个装配工艺过程，只有平行缝焊封盖工序的焊接局部温度超过 955 ℃，因此判断平行缝焊封盖过程是镍金多余物产生环节。

3.2 平行缝焊焊缝分析

平行缝焊是一种电阻焊，是熔化焊的一种，采用双点平行焊方式[3]，通常用两个锥形的滚轮电极与金属盖板接触后形成闭合回路，焊接电源形成的脉冲电流，如图 5 所示，经电极和盖板形成回路，整个回路中电极与盖板接触处存在较大的接触电阻，通过电阻发热在该处产生大量的热，由于热量高度集中，使盖板与电极接触处以及盖板与围框接触处镀层熔化，而盖板和壳体母材不熔化，凝固后形成一连串外部及内部均为相互交叠的焊点，进而形成气密性焊缝，如图 6 和图 7 所示。双点平行焊方式的平行缝焊，其焊接本质是镀层熔化实现冶金结合。

平行缝焊焊缝有别于其他熔化焊，虽然其焊缝表面也呈现规则的鱼鳞状，如图 6 所示，但其剖面视图显示焊缝深度方向不是凹槽形，而是呈现近似侧“U”形，如图 7 所示，由表面焊缝区、焊接面焊缝区和外围堆焊区构成，保证焊接强度和气密性的焊缝是焊接面焊缝区及外围堆焊区，其完整性和连续性是保证平行缝焊封盖强度和气密性的关键。

3.3 平行缝焊热源分析

平行缝焊焊缝由一系列电阻焊点重叠而成，每个焊点形成过程直接影响最终焊接效果。通过理论计算分析和试验验证，确定电阻发热的主要热源位置是电极与盖板接触处。通过盖板厚度、盖板与围框配合尺寸计算，并与电极角度（≤20°）对比，电极仅与盖板接触，而与围框边缘无接触，设定电极与盖板接触电阻R1、盖板与围框接触电阻 R2、盖板与围框金属本体电阻等效为 R0，其等效电路如图 8 所示。

通过等效计算单位时间内在 R2 和 R1 处产生的热量比为

而接触电阻 R1 与 R2 为毫欧量级，盖板与壳体的本体电阻为微欧量级，因此 R2 处产生的热量远远小于 R1 处产生的热量，即实现平行缝焊的电阻发热源是电极与盖板接触处，热源热量通过盖板向下传递到盖板与围框的接触面，当形成的温度场在该处达到镀层熔化温度后，镀层熔化形成冶金结合，同时热源热量通过盖板向外侧传导热量，使盖板表面及附近区域镀层熔化，流淌至盖板与围框搭接处，形成可见与不可见的外部和内部焊点，剖面呈侧“U”形，如图 10 所示。

为验证对上述发热源的理论分析，通过设置 A、B、C3 组不同参数进行封盖试验，当封盖功率仅为正常封盖时的 9/19、13/19 和 17/19 时，观察焊缝外观和撬掉盖板后的结合面，结果见表 1。通过试验对比也充分证明发热源是电极与盖板的接触位置，当缝焊能量足够高时，通过热传导使得盖板与壳体接触面镀层熔化，同时熔化镀层在盖板与壳体搭接外侧流淌堆积。

上述分析中采用双点平行焊方式平行缝焊的热源主要为电极与盖板接触处，这也是双点平行焊方式平行缝焊适合熔点高、热导率适中的金属的原因所在，如可伐合金、钛合金和不锈钢等。若盖板热导率太高，无法形成理想温度场；热导率太低，会导致形成的温度场太集中，热量难以传导到焊接界面，或温度太高而导致盖板母材熔化、坍塌。以可伐盖板为例，以电极与盖板接触位置为中心沿盖板横向及纵向传递热量形成温度场，在不同场点实现不同方式的焊接，如0.1 mm 附近实现镍金镀层焊，因此涂覆镍金镀层的盖板设计厚度约为 0.1 mm，而 0.9 mm 附近实现软钎焊，则推荐盖板厚度约为 0.9 mm[4-5]，这均与可伐盖板上形成的温度场密切相关。

3.4 镍金多余物形成过程

由上述平行缝焊焊缝和电阻发热源分析可知，平行缝焊时电极与盖板接触处产生局部高温，向盖板与壳体结合面传导热量，使盖板与壳体结合面镀层金属熔化，熔化的镀层金属在盖板的挤压下向壳体内部流淌，由于壳体较薄（0.5 mm），熔化镀层很容易进入壳体内部，在壳体开阔空间内，存在一定概率发生凝固成球，进而形成镍金球多余物。

因此，为减少平行缝焊封盖过程中产生的镍金多余物，提高产品 PIND 筛选合格率，需要控制内部焊缝区宽度，在确保气密性和强度的前提下，将内部焊缝宽度控制在 0.4～0.6 倍围框厚度，如图 15 所示，能够有效减少封盖过程中镍金多余物的产生，降低缝焊封盖对 PIND 合格率的影响。

4 改进措施

综上可知，镍金多余物是由于平行缝焊时熔化的镍金层在盖板的挤压下向壳体内部流淌，部分熔化镍金层凝固成球，形成镍金球多余物，可通过以下改进措施对其进行控制。

4.1 降低平行缝焊能量输入

根据平行缝焊工艺原理分析，单脉冲周期内输入能量 q=P×PW 决定了焊缝宽度，而采用现有参数封盖时镀金熔化后进入壳体内部，说明能量输入过大。其中功率参数 P 决定了焊接时所能达到的局部温度，现有功率 P对于镀镍金的可伐合金焊接是合适的，降低脉冲宽度PW 可以有效降低焊接能量输入，而脉冲重复周期PRT 和焊接速度 S 决定了单个焊点的重叠情况，焊点重叠即焊缝状态良好、生产效率高。因此，其他参数不做调整，仅调节焊接脉冲宽度 PW。将脉冲宽度由 10 ms 调整为 8ms，焊接面焊缝宽度明显减小，如图 16 所示。

4.2 增大电极角度

平行缝焊封盖时，电极轮锥面只与盖板接触，而不与管壳接触，电极角度由 10°提升到 15°，形成的表面焊缝和焊接面焊缝宽度均明显变窄。通过分析，焊接面焊缝宽度与电极轮角度负相关，将电极轮角度增大，热源中心更靠近外侧，对熔化镀层金属向内挤压效果减小，形成的焊接面焊缝宽度降低，表面焊缝宽度随角度增大也同步减小，与文献[6]中电极角度影响一致，10°和 15°电极轮封盖剖面如图 17 所示。

4.3 提高盖板装配精度

盖板与壳体装配精度对封盖镍金多余物的产生也有直接影响，当盖板与壳体装配精度较差时，必然导致一侧盖板与围框结合面变窄，平行缝焊时熔化镀层金属进入壳体内部路径变短，更易进入壳体内部产生多余物。通过光学辅助自动上盖板技术提高盖板装配精度，可降低因盖板装配精度不足造成的影响。

4.4 增加壳体围框厚度

在满足设计要求的前提下，增加壳体壁厚可有效降低多余物的产生。增加壁厚即增加了盖板与壳壁的结合面宽度，使得平行缝焊时熔化镍金向内流淌的路径变长，使熔化镀层金属无法进入壳体内部形成金属飞溅，同样可以减少镍金多余物的产生。

将上述改进措施应用到该金属陶瓷一体化封装微波组件封盖过程中，工艺参数中的脉冲宽度由 10 ms降低到 8ms，电极轮由 10°增加到 15°，采用光学辅助自动上盖提高盖板装配精度，最终实现在强度和气密性不降低的前提下，PIND 筛选合格率提升至 98%，经开盖检查也未再发现镍金球多余物的产生，盖板和围框之间的焊接面焊缝宽度约为壳壁厚度的 0.5 倍，满足产品封盖需求。

5 结束语

综上，平行缝焊的发热源为电极与盖板接触处，平行缝焊实现气密封盖的本质是镀层熔化焊接，其形成的焊缝分为表面焊缝区、焊接面焊缝区和外围堆焊区 3 部分，其中焊接面焊缝区和外围堆焊区是保证焊接强度和气密性的关键。盖板与壳体结合面镀层熔化后受盖板挤压作用流淌进入壳体内部，部分熔化镀层金属凝固形成球状多余物。通过优化工艺参数、增大电极轮角度、提高盖板对位精度，可以有效降低平行缝焊封盖过程中产生的镍金多余物。改进后，该型产品 PIND 筛选合格率提升至 98%，经开盖检查也未再发现镍金球多余物的产生，盖板和围框之间的焊接面焊缝宽度约为壳壁厚度的 0.5 倍，满足产品封盖需求。

来源：半导体封装工程师之家一点号