可伐合金表面Ni/Au鍍覆方式和鍍層厚度對激光封焊裂紋的影響

王 成，孫乎浩，陳 澄，薛恒旭

揚(yáng)州海科電子科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001

0 前言

可伐合金（4J29）在-80～450℃溫度范圍內(nèi)其熱膨脹系數(shù)與硬玻璃相近，可保證材料的匹配封接，封接后內(nèi)應(yīng)力很小，且電性能優(yōu)良，易于銑削加工，低溫組織穩(wěn)定，表面涂敷工藝簡單，被廣泛用于集成電路及微電子封裝中的引線、基板載體、金屬圍框、管殼等[1-2]。可伐合金作為微波組件中最常用金屬封裝外殼材料，使用中需在表面鍍覆Ni/Au，Au為防護(hù)層、Ni為打底層，用于實(shí)現(xiàn)外殼表面的防腐蝕效果及滿足內(nèi)腔的釬焊、鍵合等封裝工序要求。Au層鍍覆方式主要為電鍍Au，Ni層的鍍覆方式主要為化學(xué)鍍Ni及電鍍Ni兩種[3]。

某SiP封裝微波組件可伐合金圍框內(nèi)嵌于HTCC基板內(nèi)腔中，由于結(jié)構(gòu)上的限制無法使用平行縫焊工藝實(shí)現(xiàn)其氣密性封裝。作為另一種常用的氣密封裝工藝，激光封焊相較于平行縫焊工藝在復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)封接方面具有一定的優(yōu)勢，理論上可以封接任何異形的殼體，并且具有生產(chǎn)效率高、熱影響區(qū)小、熱變形小、清潔、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。目前研究者主要研究了激光封焊工藝參數(shù)對無鍍層或表面涂敷Ni鍍層可伐合金焊接性能的影響。雷黨剛[9]認(rèn)為可伐合金殼體表面鍍Ni/Au對激光封焊裂紋影響較大，無鍍層可伐合金殼體可獲得較高氣密性。李娜[10]等通過試驗研究了電鍍鎳金的可伐合金殼體激光封焊，20個樣品細(xì)檢漏均未通過，去除封焊區(qū)鍍層后的20個樣品氣密性均滿足要求。錢志宇[11]等研究了激光脈沖寬度、焊接速度、脈沖頻率和離焦量等工藝參數(shù)對可伐合金殼體焊縫寬度及深度的影響，并未提及試驗殼體表面的鍍層情況。本文主要從可伐合金表面Ni/Au層鍍覆工藝及鍍層厚度兩方面研究其對激光封焊焊接接頭裂紋的影響，以獲得較優(yōu)的可伐合金微波組件表面鍍層參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗樣品蓋板與殼體的材料為可伐合金（4J29），其化學(xué)成分如表1所示。蓋板與殼體的焊接搭接結(jié)構(gòu)如圖1所示，蓋板尺寸28 mm×18 mm×0.5 mm，裝配間隙小于0.05 mm。

表1 4J29可伐合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of Kovar（4J29）（wt.%）

圖1 蓋板與殼體的搭接結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of lap joint for plate and shell

采用單因素試驗分別研究鍍覆工藝和鍍層厚度對激光封焊接頭裂紋的影響并獲得外表美觀的焊縫。樣品蓋板與殼體表面Ni/Au層鍍覆工藝如表2所示，其中Ni層厚度為3～5 μm，Au層厚度為0.3～0.8 μm。樣品蓋板與殼體表面電鍍Ni/電鍍Au層厚度如表3所示。

表2 蓋板與殼體表面Ni/Au層鍍覆工藝Table 2 Plating process of Ni/Au finishes on the surface of cover plate and shell

表3 蓋板與殼體表面電鍍Ni/電鍍Au厚度Table 3 Thickness of electroplating Ni/Au finishes on the surface of cover plate and shell

激光封焊前先用丙酮擦拭樣品殼體和蓋板表面，再放入超聲清洗機(jī)中超聲清洗，清洗劑為無水乙醇，清洗后自然晾干。試驗用激光器為MIYACHI UNITEK公司的LW600AE激光器，激光封焊工藝參數(shù)如表4所示，脈沖波形使用四階段激光脈沖，即預(yù)熱→熔化→保溫→冷卻。封焊后使用KEYENCE公司的VHX-7000體視顯微鏡觀察樣品焊縫的表面及截面形貌，使用FEI公司的Helios G4 FX等離子聚焦離子束分析系統(tǒng)分析鍍層截面形貌及化學(xué)成分。

表4 激光封焊工藝參數(shù)Table 4 Laser seal welding parameters

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鍍覆工藝對焊接裂紋的影響

圖2為化學(xué)鍍Ni/電鍍Au可伐合金焊縫表面及截面。可以看出，可伐合金表面焊縫熔合區(qū)的中間位置有明顯的連續(xù)性長縱向裂紋并貫穿整個焊縫截面，焊縫表面顏色發(fā)白發(fā)亮。圖3為電鍍Ni/電鍍Au可伐合金焊縫表面及截面，其表面焊縫熔合區(qū)和焊縫截面未見裂紋產(chǎn)生，焊縫表面顏色相對暗淡偏黑。圖3b中樣品焊縫熔深比圖2b中焊縫熔深更淺。由于兩種樣品的蓋板與殼體機(jī)加工表面粗糙度和激光封焊工藝參數(shù)均相同，故導(dǎo)致上述差異的原因是兩種鍍覆工藝造成的材料表面狀態(tài)不同使得其對激光吸收率不同。

圖2 化學(xué)鍍Ni/電鍍Au可伐合金焊縫表面及截面Fig.2 Welding surface and cross-sectional image of Kovar alloy with electroless plating Ni/electroplatingAu finishes

圖3 電鍍Ni/電鍍Au可伐合金焊縫表面及截面Fig.3 Welding surface and cross-sectional image of Kovar alloy with electroplating Ni/electroplatingAu finishes

觀察分析發(fā)現(xiàn)，兩種鍍覆工藝的差異對焊接裂紋的產(chǎn)生有顯著影響。由于殼體與蓋板鍍覆工藝相同，所以僅對蓋板鍍層的截面成分進(jìn)行分析。圖4a為化學(xué)鍍Ni/電鍍Au可伐合金掃描截面，圖4b為電鍍Ni/電鍍Au可伐合金掃描截面。兩者均為三層結(jié)構(gòu)，上層為鍍Au層（起防氧化作用），中間為鍍Ni層（起阻擋保護(hù)作用和打底作用），下層為基體層。通過電子探針EPMA進(jìn)行面掃描分析樣品鍍層截面各層元素分布，結(jié)果如圖5所示。可以看出，兩種鍍覆工藝的鍍Au層化學(xué)成分一致，沒有其他元素的存在，僅鍍Au層的厚度有少許差異；鍍Ni層化學(xué)成分則有明顯差異，化學(xué)鍍Ni層除有大量Ni元素外還有P元素存在，且P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.96%，電鍍Ni層中除Ni元素外未出現(xiàn)其他元素。由于化學(xué)鍍Ni過程中使用磷酸鹽和次磷酸鹽作為還原劑引入了P元素，P是強(qiáng)偏析元素，焊接時可伐合金表面鍍層中的P元素會熔合到焊縫中，與Fe、Co、Ni形成多種低熔點(diǎn)的化合物，如NiP3、Fe3P等（見圖6）。這些低熔點(diǎn)化合物不斷向液固兩相的分界處轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，并在結(jié)晶后期呈液膜狀態(tài)散布在晶粒表面，割斷部分晶粒之間的聯(lián)系，在冷卻收縮拉應(yīng)力作用下在晶粒邊界分離形成結(jié)晶裂紋。這是表面化學(xué)鍍Ni/電鍍Au可伐合金激光焊接產(chǎn)生裂紋的主要原因。

圖4 可伐合金鍍層掃面截面Fig.4 SEM cross-sectional image of Kovar alloy with plating finish

圖5 可伐合金鍍層EPMA圖Fig.5 EPMAimage of Kovar alloy with plating finish

圖6 二元合金相圖Fig.6 Binary alloy phase diagram

2.2 鍍層厚度對焊接裂紋的影響

微波組件外殼的鍍層厚度影響封裝過程中共晶釬焊、鍵合等工序的可靠性以及外表面的防腐蝕性能。不同的封裝工序?qū)﹀儗雍穸纫蟛煌＜す夂附幼鳛榉庋b的最后工序，研究前道工序所需的不同鍍層厚度對激光焊接的影響具有重要意義。試驗中的樣品均采用相同的電鍍工藝，鍍層厚度的不同僅與電鍍時間的長短和電流密度有關(guān)，其化學(xué)成分沒有任何差異。

電鍍Ni層厚度3～5 μm時，不同電鍍Au厚度的4J29可伐合金焊縫表面形貌如圖7所示。可以看出，隨著鍍Au層厚度的增加，接頭出現(xiàn)明顯的裂紋。鍍Au層厚度為0.1～0.3 μm和0.6～0.8 μm時，焊縫表面未出現(xiàn)裂紋（見圖7a、7b）；鍍Au層厚度為1.1～1.3 μm時，焊縫表面出現(xiàn)少量不連續(xù)的輕微裂紋（見圖7c）；鍍Au層厚度為1.8～2.1 μm時，4J29焊縫表面出現(xiàn)明顯的鋸齒狀連續(xù)長縱向裂紋（見圖7d）。分析原因是：Au的熔點(diǎn)（1 063℃）低于4J29的熔點(diǎn)（1 460℃），焊縫結(jié)晶時Au被不斷排斥到焊縫中心處，并與4J29中的Fe、Co元素形成低熔點(diǎn)共晶（見圖6），易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。當(dāng)Au層厚度較薄時，Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，引入焊縫中的Au較少；隨著Au層厚度的增加，Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，大量的Au逐步引入到焊縫中，裂紋傾向逐漸增高，裂紋增大。且Au的熱膨脹系數(shù)相對可伐合金較大，冷卻結(jié)晶收縮時，由于熱膨脹系數(shù)差異較大導(dǎo)致收縮率不同而易產(chǎn)生裂紋。

圖7 不同電鍍Au厚度的可伐合金焊縫表面Fig.7 Weld surface image of Kovar alloy with different electroplating Au finish thickness

電鍍Au層厚度為0.1～0.3 μm時，電鍍不同Ni層厚度的4J29可伐合金焊縫表面形貌如圖8所示。由圖8可知，隨著Ni層厚度的增加，4J29激光封焊表面焊縫美觀，均未出現(xiàn)裂紋。這是因為Ni的熔點(diǎn)（1 453℃）與4J29的熔點(diǎn)（1 460℃）接近，在高溫下兩者均具有較好的浸潤性，在結(jié)晶時沒有其他含量較高的雜質(zhì)與其形成低熔點(diǎn)共晶，因此結(jié)晶時未出現(xiàn)裂紋。

3 結(jié)論

（1）化學(xué)鍍Ni中的P元素是導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的主要因素，P元素偏析系數(shù)較大，極易與Fe、Ni形成低熔點(diǎn)共晶，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。而電鍍Ni中無P元素，未產(chǎn)生焊接裂紋。

（2）電鍍Au層的厚度對焊接裂紋的影響較大。Au的熔點(diǎn)較低，與4J29可伐合金中的Fe、Co元素可形成低熔點(diǎn)共晶。隨著Au層厚度的增加，焊縫中融入的Au增多，焊接接頭裂紋越明顯；Au層厚度小于0.8 μm時未產(chǎn)生裂紋。電鍍Ni層厚度的增加未產(chǎn)生焊接裂紋。

（3）電鍍Ni層厚度8～11 μm，電鍍Au層厚度0.1～0.3 μm時，可伐合金的微波組件外殼焊接接頭質(zhì)量較好，同時可滿足前道封裝工序的釬焊及外殼防護(hù)要求。