藍寶石光窗低溫釬焊工藝仿真

蔣 偉，袁禮華，袁中朝，周曉波

中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶 400060

0 引言

帶光窗金屬外殼被廣泛應用于激光器、探測器、光收發組件等器件的封裝。根據不同應用需求，選擇相應光窗材料和光窗封接工藝。常用的光窗材料有玻璃、石英、藍寶石、鍺等，常用的封接工藝有高溫熔封、高頻熔封、玻璃釬焊、金屬釬焊等[1]。

藍寶石在350～3 000 nm 波長范圍內，透過率達83%以上，是一種性能優良的光學材料，被廣泛應用于紅外探測器件、激光器窗口材料、半導體照明產業等之中。為使器件具有高可靠性和響應度，可在其表面雙面蒸鍍增透膜，鍍膜后能夠實現350～3 000 nm波長范圍內波段透過率≥97%，單點透過率最高可達99.5%以上。光學薄膜主要成分為TIO2、和SiO2[2]等氧化物，在高溫時會發生分解，從而影響薄膜性能。

金錫焊料被廣泛應用于散熱要求和可靠性要求高的半導體焊接工藝中。文章研究了藍寶石光窗與金屬腔體通過金錫低溫釬焊實現氣密性封接的工藝，并通過仿真分析和工藝試驗驗證了其可靠性。

1 工藝簡介

為滿足藍寶石光窗和可伐合金表面低溫釬焊的要求，需在藍寶石光窗焊接區域上蒸發或濺射金屬層。為獲得致密、均勻、附著性好的膜層，采用磁控濺射的方式鍍制金屬層。金屬層設計為Cr-Ni-Au 三層金屬化層結構，厚度依次為Cr（鉻）≥70 nm，Ni（鎳）≥300 nm，Au（金）≥400 nm。鉻層熱膨脹系數為6.2×10-6℃，與藍寶石熱脹系數匹配，具有良好的附著性。鎳層作為保護層，可以阻擋焊接時焊錫對鉻層溶蝕；金層兼具抗氧化性和良好的焊接性能。金屬腔體一般采用膨脹系數與藍寶石相近的可伐合金。為保證抗腐蝕性能和焊接質量，表面先電鍍鎳后鍍金，鎳層厚度≥1.3 μm，金層厚度≥0.5 μm。

采用低溫釬焊工藝焊接光窗，詳細工藝流程如圖1 所示。原材料（包括腔體、引線等）預處理后，首先和玻璃絕緣子進行絕緣熔封，形成氣密性結構；然后與底板通過銀銅焊料高溫釬焊形成氣密性結構；表面電鍍鎳金后與完成鍍膜和金屬化的光窗通過金錫焊料低溫釬焊形成氣密性結構。工藝的核心和難點為光窗釬焊。

圖1 帶光窗外殼生產工藝流程

2 仿真分析

2.1 參數設置

光窗、釬料、基體材料熱膨脹系數存在差異，封裝過程中會產生焊接應力，較大應力的存在直接影響封裝可靠性，甚至造成光窗裂紋。光窗和焊接區是整個外殼的薄弱環節。為研究帶鎢銅熱沉的薄壁腔體側壁和光窗低溫釬焊工藝的可靠性，文章采用ANSYS Workbench 仿真軟件進行熱力學的耦合分析。

選用MSFM2321-W6W 型號帶光窗腔體外殼進行分析，其中可伐金屬腔體外形尺寸為20 mm×15 mm×8 mm，壁厚1.20 mm，光窗尺寸為13.5 mm×5.5 mm×0.6 mm，腔體底面帶鎢銅熱沉。

首先將產品模型導入ANSYS 軟件，再進行材料賦予、接觸和網格劃分。熱學分析時，以燒結工藝的溫度曲線加載溫度，并將溫度載荷數據傳遞給靜力學分析模塊。力學分析時，在凝固點進行“綁定（bonded）”約束，同時在底板下表面的原點處進行“遠端位移（remote displacement）”約束，約束值均為零，然后對其加載溫度載荷。待計算完成后，查看應力、應變云圖，分析產品在熱沖擊下的內部應力和應變。

2.2 光窗焊接過程中的應力仿真分析

光窗焊接工藝為低溫釬焊，當溫度降至焊料的凝固點時，光窗和腔體開始結合，腔體前期積累的拉應力對光窗進行拉扯。溫度降至室溫時，拉應力達到最大，如圖2 所示。光窗頂部的最大應力值為118.57 MPa，低于藍寶石自身的抗拉強度（190 MPa）。在降至室溫時，光窗和腔體之間產生了剪切應力，如圖3 所示。光窗和腔體之間發生的最大剪切應力值為62.803 MPa，低于焊料（Au80Sn20）的抗拉強度（276 MPa）。光窗和腔體之間的氣密性封接滿足可靠性設計要求。

圖2 低溫釬焊過程應力分布圖

圖3 低溫釬焊過程剪切力分布圖

根據上述分析，在底板焊接和光窗焊接過程中，各部分所受到的應力均在材料的安全范圍內，整體設計滿足可靠性要求。原材料個體之間存在一定差異，且焊接工藝存在一定波動。后續對外殼有相應的環境試驗考核，需根據實際應用環境預留設計冗余。

3 影響因素分析

3.1 焊接縫隙

光窗低溫釬焊過程中容易出現焊接縫隙。出現焊接縫隙后，光窗外觀表現為焊料填充不連續和焊縫，直接影響封接區氣密性和可靠性。焊接縫隙產生的主要原因是焊料浸潤不良、光窗壓力不均、光窗不居中、焊接區平面度較差等。焊接縫隙可以直接在顯微鏡觀察到，結合氣密性檢測，能夠做到比較有效的篩選。顯微鏡下觀察到的某型號光窗焊接縫隙現象如圖4 所示。通過多次實驗發現，提高焊接區域平面度、優化工裝夾具、提升光窗居中性和壓力均勻性、保持焊接區和焊料的潔凈度、合理設計焊料用量，配合間隙設計為0.08 mm 時，能夠得到較為連續均勻的焊縫。

圖4 光窗焊接縫隙

3.2 封接氣泡

光窗金錫焊接過程中，焊料與氧氣的接觸極易發生氧化反應產生氧化膜[3]，且焊縫中的氣體難以完全排除，就會導致焊接氣孔。光窗封接區內部氣孔直接影響封接強度和可靠性，內部氣孔的存在，直接減小了有效焊接區域面積，在機械環境試驗過程中有造成光窗漏氣甚至脫落的風險。金錫共晶焊接參數的主次因子排序應為焊接溫度、焊接壓力、焊接時間[4]。氣孔的產生主要是由焊接區域平面度差、壓塊重量不足、共晶時間不足，焊料流淌不充分等造成。

經過多次焊接試驗發現，合理設計焊料用量和焊接夾具，光窗和金屬腔體配合間隙設計為0.08 mm，保持焊接面和焊料潔凈度，焊接最高溫度設置為350 ℃，光窗焊接區所受壓強在1 800 Pa 左右，共晶時間控制在15 min 左右，可以獲得較高的焊接質量。試樣焊接后通過X 射線掃描出的內部氣孔現象如圖5 所示。

圖5 光窗封接區優化前后氣孔情況

4 實驗驗證

為驗證藍寶石光窗低溫釬焊工藝的可靠性，同時驗證焊接面寬度對焊接結構可靠性的影響，文章選用了MSFM2321-W6W 型外殼，分兩組進行實驗，其中焊接面寬度為1.0 mm 和0.8 mm 的實驗樣本各5 只。首先將金屬腔體、金錫釬料和光窗用模具固定好，并在光窗上采用壓塊施壓；裝模完成后，放置于調好工藝參數的鏈式網帶爐中進行實驗。

低溫釬焊整個過程在鏈式網帶爐中完成。為了防止氧化，進出口設計了氮氣幕保護，高溫區設計了氫氣保護，使爐膛內為還原反應。工藝溫度曲線如圖6所示，主要包括升溫、保溫、降溫三個過程。在保溫過程中，金錫釬料熔化。在表面潤濕過程中，釬料還會向固體金屬晶界和晶內擴散[5]，與光窗和金屬件表面的金層發生共晶反應，形成致密的焊接界面，獲得氣密封口。

圖6 低溫釬焊溫度曲線

5 實驗結果

在20 倍顯微鏡下觀察光窗焊接區情況，10 只試樣中9 只焊縫填充均勻飽滿，無明顯縫隙和空洞，其中8 號試樣焊縫有較明顯縫隙。采用氦質譜檢漏儀進行氣密性檢驗，8 號試樣不合格，其余9 只試樣漏氣速率R1＜1×10-9Pa·m3/s。按《半導體光電子器件外殼通用規范》（GJB 5438—2005）要求進行溫度循環試驗考核，試驗條件溫度為-65～150 ℃，循環10 次。溫度循環后，9 只試樣漏氣速率R1＜1×10-9Pa·m3/s。具體測試結果如表1 所示。

表1 試樣氣密性測試結果

氣密性合格的9 只試樣中，抽取8 只，按照《半導體光電子器件外殼通用規范》（GJB 5438—2005）進行機械沖擊實驗，實驗結果如表2 所示。通過實驗結果可以看出，接面寬度設計為1.0 mm 時，能夠承受更高的機械沖擊，具有更高的可靠性。

表2 機械沖擊實驗結果

6 結束語

光窗與金屬件配合間隙設計為0.08 mm，封接寬度設計為1.0 mm，焊料厚度設計為0.1 mm，施加預壓力大小設計為1 800 Pa，共晶時間設置為8 min，合理設計焊接夾具，藍寶石光窗和可伐金屬件能夠實現良好的封接質量。藍寶石低溫釬焊的試樣滿足《半導體光電子器件外殼通用規范》（GJB 5438—2005）的可靠性要求，工藝方案已被逐步應用于光電器件外殼的研制和生產中。