紅外探測器高精度低溫釬焊引線環設計

趙 璨,楊 斌,劉 森,盧加濤,李 碩

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

引線環是制冷型紅外探測器(以下簡稱探測器)的電學接口[1],用于實現探測器與系統的電學輸入和輸出。目前國內外探測器所用引線環主要有39 pin、41 pin、54 pin、64 pin及72 pin等多種規格型號,其主要結構形式均為圓環形。

傳統引線環主要由上金屬環、下金屬環和陶瓷圓環三部分構成(如圖1所示)。陶瓷圓環上下表面分別布置焊盤及插針;焊盤通過引線與探測器芯片連通,插針與外部的處理電路連通;陶瓷圓環內部布置引線連通焊盤與插針,各引線之間通過陶瓷進行絕緣。上下金屬環與陶瓷圓環通常使用銀銅釬料在800 ℃以上高溫釬焊連接,釬焊完成后在金屬環表面鍍鎳處理,在陶瓷圓環的焊盤及插針表面鍍鎳-金處理。上下金屬環與探測器金屬零件焊接實現探測器芯片的封裝。

圖1 傳統引線環結構示意圖

對于某些探測器,受到與整機耦合的限制,其引線環需兼具電學引出與機械定位兩種功能,且定位精度要求高。這類引線環(如圖2所示)的定位精度要求通常需要達到0.02 mm以內。傳統的引線環在制備工藝過程中,金屬環經過機械加工、高溫釬焊、電鍍等多道工藝。高溫釬焊過程中焊接熱應力會導致母材發生形變,因此成為影響引線環尺寸精度的重要原因,其尺寸精度只能達到0.1 mm;其次先釬焊后電鍍的工藝順序使引線環的尺寸精度進一步降低。綜合上述兩個原因,傳統的引線環難以滿足探測器的高精度定位要求。

圖2 引線環定位方式示意圖

針對這類探測器,本文設計一種兼具電學引出與高精度定位兩種功能的引線環。改變了傳統引線環的焊接結構,實現了電學接口位置的可調節。選用金錫釬料在350 ℃以下釬焊引線環的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了高溫釬焊導致的焊接熱應力。此外,本文通過研究釬焊溫度和保溫時間對焊縫表面形貌和引線環漏率的影響,成功制備出高精度引線環。在保證引線環電學性能、力學性能和密封性能的同時大幅度提高了機械尺寸精度,對探測器杜瓦的精密封裝具有指導意義。

2 引線環設計

2.1 結構設計

傳統的引線環由于其圓環形的結構,插針和焊盤的位置為固定值,難以進行探測器軸向方向的位置調節。如圖3所示,本文的引線環由金屬環與兩個矩形陶瓷構成,金屬環設計為法蘭結構,用于探測器的安裝與定位,內部設計兩個方形通孔,用于矩形陶瓷的裝配與焊接。矩形陶瓷插入到金屬環的方形孔中,構成十字形焊接接頭。十字形焊接接頭可以通過調節矩形陶瓷的上下位置來改變插針和焊盤的位置,以適應不同位置的電學接口。

圖3 引線環十字形焊接接頭示意圖

為保證釬料熔化后可以通過毛細作用充分填充到母材間隙之中,矩形陶瓷與金屬環之間設計合理的間隙值。

矩形陶瓷的一端為焊盤,側面設計為插針,兩者之間的夾角為90°。插針尺寸為標準尺寸,其排列形式為“品字形”分布,橫向間距與縱向間距均為標準間距。焊盤可以通過引線鍵合工藝與內部電學零件連接,插針通過錫焊工藝與外部接插件連接。

綜上,本文的引線環兼具電學引出與高精度定位兩種功能,實現了電學接口位置的可調節。

2.2 材料選擇

氧化鋁陶瓷因其高強度、剛度以及良好的電絕緣性能而廣泛應用于引線環的制作當中。這種材料已經在探測器上已經得到過充分驗證,因此本文將矩形陶瓷的材料選定為氧化鋁陶瓷,其主要性能參數如表1所示。

表1 氧化鋁陶瓷的主要性能參數[2-3]

金屬環的可選材料主要有鈦合金、不銹鋼和可伐合金。鈦合金密度低,比強度高,耐腐蝕性好,但焊接性差,難以進行低溫釬焊;不銹鋼強度、剛度高,成本低廉,適用性廣泛;可伐合金具有與氧化鋁陶瓷相近的熱膨脹系數,較高的強度、剛度等優點。表2為鈦合金、不銹鋼和可伐合金的熱膨脹系數和彈性模量,對比幾種材料的熱膨脹系數,可伐合金的熱膨脹系數與氧化鋁陶瓷極為接近,可以大幅度降低兩者焊接時的熱應力,因此金屬環的材料選取可伐合金。此外,在可伐合金表面鍍鎳以提高引線環的耐腐蝕性。

表2 幾種材料的性能參數[3]

3 工藝研究

針對傳統引線環高溫釬焊過程中焊接熱應力導致的形變以及電鍍導致的尺寸精度降低,本文改進引線環制備的工藝流程,焊接前完成金屬環的電鍍,之后通過低溫釬焊焊接矩形陶瓷。

金錫釬料是一種共晶釬料,具有對鍍金層無溶蝕、對鍍金層的潤濕性良好、焊接接頭強度高及較低的熔點等一系列優點,已經廣泛應用于高可靠鍍金器件的無釬劑釬焊和氣密性封裝中,其性能參數如表3所示。本文使用金錫釬料焊接金屬環與矩形陶瓷,釬料采用的預成型焊料片。

表3 金錫釬料的主要性能參數[4]

為增加金錫釬料對母材的浸潤性,金屬環與矩形陶瓷的焊接接頭處局部鍍金處理。為保證引線環的定位精度,金屬環機械加工時預留出鍍層厚度,然后在金屬環表面電鍍。

釬焊溫度和保溫時間是影響釬焊焊縫質量的重要參數,本文將將釬焊溫度設為310 ℃和330 ℃,保溫時間設置在一定區間內。將完成電鍍后的金屬環、矩形陶瓷和釬料裝配,通過專用夾具固定,放入真空釬焊爐中,焊接溫度曲線如圖4所示。

圖4 引線環釬焊溫度曲線

圖5為焊接完成后的引線環。測量引線環的電學性能,結果均滿足引線環電導通和電絕緣的性能指標;測量引線環定位面的尺寸,結果均滿足精度要求,后面不再贅述。使用光學顯微鏡拍攝引線環的釬焊焊縫,觀察焊縫表面形貌;使用氦質譜檢漏儀檢測引線環的漏率。

圖5 引線環實物圖

4 結果與分析

4.1 焊縫表面形貌

不同焊接參數下的焊縫表面形貌如圖6所示。如圖6(a)～(c)所示,310 ℃時在不同保溫時間下金錫釬料均未順利鋪展,焊縫區域均存在不同數量的氣孔。這是因為在真空釬焊爐中熔化釬料所需的熱量主要來源于引線環的熱傳導,焊縫與真空釬焊爐之間存在一定的溫度梯度,在此釬焊溫度下與保溫時間,沒有足夠的熱量傳遞到焊縫處,導致釬料未完全熔化。

圖6 不同焊接參數下的焊縫表面形貌

330 ℃下保溫不同時間的焊縫表面形貌如圖6(d)～(f)所示,當保溫時間不足時,釬料未順利鋪展,焊縫區域存在一定數量的氣孔;保溫時間延長一定時間后,焊縫區域的氣孔消失,釬料在焊縫區域鋪展均勻、填充飽滿,焊縫形貌良好;隨著保溫時間的繼續延長,釬料呈現出凝固堆積的現象。圖7為Au-Sn二元相圖,AuSn二元合金在在共晶點附近隨著Au成分的增加,熔點迅速提高。由于保溫時間的延長,鍍金層中的Au擴散至金錫釬料之中,導致釬料的熔點迅速升高凝固,因此保溫時間不宜過長。

圖7 Au-Sn二元合金相圖[5]

根據上述分析,可以得知在釬焊溫度為330 ℃,保溫時間適中時焊接的引線環焊縫形貌良好,釬料在焊縫區域鋪展均勻、填充飽滿,符合設計預期。

4.2 引線環的漏率分析

不同參數下制備的引線環的漏率如表4所示,其漏率隨著焊縫質量的提高而減小。在釬焊溫度為330 ℃,保溫適當時間時的漏率≤10-11atm·cc·s-1,可以滿足探測器的高真空、長壽命密封要求。

表4 引線環漏率

5 結 論

本文針對探測器的高精度定位需求設計了一種新型引線環,并進行了工藝研究,得出以下結論:

(1)本文的引線環兼具電學引出與機械定位兩種功能,在焊接工藝過程中調節矩形陶瓷的位置實現電學接口的位移;

(2)選取具有高強度、低熔點的金錫釬料低溫釬焊引線環的金屬件與陶瓷件,大幅度降低了熱應力導致的變形;

(3)研究了釬焊溫度和保溫時間對焊縫表面形貌及引線環漏率的影響,在選擇合適的工藝參數時獲得表面形貌良好的焊縫,此時引線環的漏率≤10-11atm·cc·s-1,滿足探測器的密封要求。

(4)在保證引線環電學性能、力學性能和密封性能的同時將引線環的機械尺寸精度由0.1mm提升至0.02 mm,實現了引線環的高精度定位功能。