CN102169839B - 一种使用金锡焊料预成型片的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用金锡焊料预成型片的封装方法。本发明的有益效果是：把原来的一次封装工艺分解为两步工艺，即：预先对金锡焊料预成型片和金属盖板做共晶回流工艺；再用回流后带金锡焊料的金属盖板通过低温烧结还是平行缝焊的方式，完成与金属或陶瓷管座的气密性封装。这样，在预先对金锡焊料预成型片和金属盖板做共晶回流工艺时，就可以通过充分的还原反应，使金锡焊料表面氧化物得到最大程度的清除，从而为高可靠性性的气密性封装打下基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用金锡焊料预成型片的封装方法及金属加热盘。
背景技术
在以金锡焊料预成型片作为金属焊料的气密性或真空器件封装工艺中，现有工艺对于金锡焊料预成型片焊料，通常采用湿法方式清洁并烘干，再将其直接夹放在金属盖板和金属或陶瓷管座的焊接面中间，然后用烧结或平行缝焊的方式加热到共晶温度，并完成气密性或真空封装。
但是该方法存在以下两个问题：
1、烧结或平行缝焊的焊接工艺不能有效去除金属焊料表面的氧化物，在这过程中对于金锡焊料预成型片表面氧化物的处理不充分或者基本没有。这种方法的后果是，金锡焊料预成型片表面的氧化物残留在焊接后的界面内，导致器件漏率高，真空度保持性能差，不能够经受得起长时问的热应力循环，进一步影响到封装成品率和封装成本。
2、采用烧结或平行缝焊的焊接工艺，一次将金属盖板和金属或陶瓷管座焊接在一起，使得由于金属盖板和金锡焊料预成型片原因导致的失效封装器件无法返工，而金属或陶瓷管座和其中的芯片价值往往比金属盖板和金锡焊料预成型片更加昂贵，这就导致封装物料成本的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使用金锡焊料预成型片的封装方法及金属加热盘。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，它包括以下步骤：
步骤1：将金锡焊料预成型片进行清洗、烘干处理；
步骤2：将金锡焊料预成型片固定连接在金属盖板预制件上；
步骤3：在金属加热盘腔体内，逐一放置连接有金锡焊料预成型片的金属盖板预制件；
步骤4：将金属掩模板安装到金属加热盘上，并用螺丝固定；
步骤5：将上述组装完成的金属加热盘放入PVD设备，溅射金属Ti，通过金属掩模板使金属Ti沉积在金属盖板预制件的腔体底面和四周侧面，使金锡焊料预成型片和金属盖板预制件做共晶回流工艺时，焊料不会流淌到金属盖板腔体内的镀金表面上；
步骤6：取出金属加热盘，拆卸并移走金属掩模板；
步骤7：将带有溅射金属Ti的金属盖板预制件的金属加热盘放置到真空共晶炉中回流，按照温升曲线，使金锡焊料预成型片与金属盖板预制件的表面金层产生共晶反应，使两者之间产生牢固的焊接；
步骤8：将完成共晶反应的金属盖板预制件进行清洗、烘干处理；
步骤9：用带有已回流金锡焊料的金属盖板预制件，通过低温烧结或平行缝焊的方式，使金属盖板预制件上金锡焊料与陶瓷或金属管座上的金属层产生共晶反应，从而把金属盖板预制件密封焊接到陶瓷或金属外壳上，完成气密性封装。
进一步的，步骤1包括以下步骤：
(1)使用SC1溶液，对金锡焊料预成型片进行湿法清洗3～4分钟；
(2)使用DI水，对金锡焊料预成型片进行湿法漂洗，漂洗时间不低于5分钟；
(3)将金锡焊料预成型片放入温度为100摄氏度的烘箱进行烘干处理，时间为20～30分钟。
进一步的，步骤2包括以下步骤：
(1)将金锡焊料预成型片置于金属盖板预制件边沿上，
(2)用超生波点焊机在金锡焊料预成型片的四角上各做一个点焊，使金锡焊料预成型片连接在金属盖板预制件边沿上，不会脱落。
进一步的，步骤8包括以下步骤：
(1)用SC1溶液清洗完成共晶反应的金属盖板预制件3～4分钟，去除去腔体内的金属Ti层；
(2)用去离子水清洗金属盖板预制件，时间不低于5分钟；
(3)将金属盖板预制件放入100摄氏度烘箱烘干20～30分钟。
进一步的，步骤5中，溅射钛为2000埃。
本发明还提供了一种带有金属掩模板的金属加热盘，它包括金属加热盘和金属掩模板，金属加热盘上设有若干腔体，金属掩模板上设有与金属加热盘上的腔体相对应若干通孔。
进一步的，金属加热盘的腔体的长和宽均比金属盖板预制件大20～40微米，腔体内放置连接有金锡焊料预成型片的金属盖板预制件时，腔体表面与金属盖板预制件边沿上的金锡焊料预成型片的表面平齐，金属掩模板安装到金属加热盘上时，可完全遮盖金锡焊料预成型片，并露出金属盖板预制件的腔体。
进一步的，金属掩模板的厚度为0.1～0.15毫米。
进一步的，金属加热盘采用铝合金制作。
进一步的，金属掩模板采用不锈钢制作。
本发明的有益效果是：
(1)在使用金锡焊料预成型片做气密性封装材料时，把原来的一次封装工艺分解为两步工艺，即：预先对金锡焊料预成型片和金属盖板做共晶回流工艺；再用回流后带金锡焊料的金属盖板通过低温烧结还是平行缝焊的方式，完成与金属或陶瓷管座的气密性封装。这样，在预先对金锡焊料预成型片和金属盖板做共晶回流工艺时，就可以通过充分的还原反应，使金锡焊料表面氧化物得到最大程度的清除，从而为高可靠性性的气密性封装打下基础。
(2)挑选预先回流后带金锡焊料的金属盖板中的良品，再与金属或陶瓷管座进行气密性封装，减少由于金属盖板和金锡焊料预成型片原因导致的失效封装器件，降低物料浪费的成本。
附图说明
图1为本发明金锡焊料预成型片点焊在金属盖板预制件上的示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为金属加热盘示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为将点焊连接有金属预成型片的金属盖板预制件放入金属加热盘后的示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为金属掩模板示意图；
图8为将金属掩模板安装在金属加热盘上的示意图；
图9为图8的俯视图；
图10为放置有金属盖板预制件的金属加热盘回流后的示意图；
图11为使用金属焊料预成型片封装的状态示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、金锡焊料预成型片，2、金属盖板预制件，3、焊点，4、金属加热盘，5、金属盖板预制件腔体，6、金属掩模板固定孔，7、金属掩模板，8、固定螺丝，9、回流焊接后的金属盖板预制件，10、带有芯片的陶瓷或金属管件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图11所示，一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，它包括以下步骤：
(1)使用SC1溶液(即包含60％DI水、30％双氧水和10％氨水的标准清晰溶液)，对金锡焊料预成型片1进行湿法清洗3～4分钟；
(2)使用DI水(即去离子水)，对金锡焊料预成型片1进行湿法漂洗，漂洗的时间不低于5分钟；
(3)将金锡焊料预成型片1放入温度为100摄氏度的烘箱进行烘干处理，时间为20～30分钟；
(4)将金锡焊料预成型片1置于金属盖板预制件2边沿框上；
(5)用超生波点焊机在金锡焊料预成型片1的四角上各做一个点焊，使金锡焊料预成型片1连接在金属盖板预制件2边沿框上，不会脱落；
(6)制作金属加热盘4，材料通常为铝合金，按照金属盖板预制件2的尺寸加工其腔体的长、宽和深度，保证金属盖板预制件2放入腔体内，在长、宽方向上有20～40微米的正公差，当金属加热盘4的腔体内放置点焊连接金锡焊料预成型片1的金属盖板预制件2时，金锡焊料预成型片1表面与金属加热盘4腔体边沿表面平齐；
(7)制作金属掩模板7，材料通常为不锈钢，其开孔尺寸保证在长、宽方向上能精确遮掩到金锡焊料预成型片1的全部焊料表面，露出金属盖板预制件2的腔体，厚度约为0.1～0.15毫米；
(8)在金属加热盘4腔体内逐一放置已点焊连接金锡焊料预成型片1的金属盖板预制件2；
(9)将金属掩模板7安装到金属加热盘4上，并用固定螺丝8固定；
(10)将上述组装完成的金属加热盘4放入PVD(即物理气相沉积)设备，溅射2000埃的金属Ti(钛)，通过金属掩模板7使金属Ti沉积在金属盖板预制件2的腔体底面和四周侧面，使金锡焊料预成型片1和金属盖板预制件2做共晶回流工艺时，焊料不会流淌到金属盖板腔体内的镀金表面上；
(11)取出金属加热盘4，拆卸并移走金属掩模板7；
(12)将带有溅射金属Ti的金属盖板预制件2的金属加热盘4放置到真空共晶炉中回流，按照温升曲线，使金锡焊料预成型片1与金属盖板预制件2的表面金层产生共晶反应，使两者之间产生牢固的焊接；
(13)用SC1溶液清洗完成共晶反应的金属盖板预制件2，去除去腔体内的金属Ti层；
(14)用去离子DI水清洗金属盖板预制件2，时间不低于5分钟；
(15)将金属盖板预制件放入100摄氏度烘箱烘干20～30分钟；
(16)用带有已回流金锡焊料的金属盖板预制件2，通过低温烧结或平行缝焊的方式，使盖板上金锡焊料与陶瓷或金属管座上的金属层产生共晶反应，从而把金属盖板密封焊接到陶瓷或金属外壳上，完成气密性封装。
钎焊是组装电子产品的一项重要技术。为了得到理想的钎焊连接，钎焊料的选择至关重要。金锡焊料An80Sn20作为重要的钎焊料(熔点280℃)应用于半导体和光电器件封装行业已经有很多年，具有优良的物理性能，包括熔点适中、强度高、无需助焊剂、导热和导电性能好、浸润性优良、低粘性、易焊接、抗腐蚀、抗蠕度等优点，在微电子器件和光电子器件的陶瓷封装封盖、芯片粘接、金属封装的陶瓷绝缘子焊接、大功率半导体激光器的芯片焊接中有着广泛的应用，可明显提高这些器件的封装可靠性和导电/导热性能。
具体到应用中，为了获得器件生产及封装等应用的稳定性，通常选择冲压成型的金锡焊料预成型片，确保钎焊料的精确用量和准确位置，以达到在最低成本情况下获得高可靠和良好导热的高性能焊接质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：将金锡焊料预成型片进行清洗、烘干处理；
步骤2：将金锡焊料预成型片固定连接在金属盖板预制件上；
步骤3：在金属加热盘腔体内，逐一放置连接有金锡焊料预成型片的金属盖板预制件；
步骤4：将金属掩模板安装到金属加热盘上，并用螺丝固定；
步骤5：将上述组装完成的金属加热盘放入PVD设备，溅射金属Ti，通过金属掩模板使金属Ti沉积在金属盖板预制件的腔体底面和四周侧面，使金锡焊料预成型片和金属盖板预制件做共晶回流工艺时，焊料不会流淌到金属盖板腔体内的镀金表面上；
步骤6：取出金属加热盘，拆卸并移走金属掩模板；
步骤7：将带有溅射金属Ti的金属盖板预制件的金属加热盘放置到真空共晶炉中回流，按照温升曲线，使金锡焊料预成型片与金属盖板预制件的表面金层产生共晶反应，使两者之间产生牢固的焊接；
步骤8：将完成共晶反应的金属盖板预制件进行清洗、烘干处理；
步骤9：用带有已回流金锡焊料的金属盖板预制件，通过低温烧结或平行缝焊的方式，使金属盖板预制件上金锡焊料与陶瓷或金属管座上的金属层产生共晶反应，从而把金属盖板预制件密封焊接到陶瓷或金属外壳上，完成气密性封装。
2.根据权利要求1所述的一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
(1)使用SC1溶液，对金锡焊料预成型片进行湿法清洗3～4分钟；
(2)使用DI水，对金锡焊料预成型片进行湿法漂洗，漂洗时间不低于5分钟；
(3)将金锡焊料预成型片放入温度为100摄氏度的烘箱进行烘干处理，时间为20～30分钟。
3.根据权利要求1所述的一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
(1)将金锡焊料预成型片置于金属盖板预制件边沿上，
(2)用超生波点焊机在金锡焊料预成型片的四角上各做一个点焊，使金锡焊料预成型片连接在金属盖板预制件边沿上，不会脱落。
4.根据权利要求1所述的一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，其特征在于：所述步骤8包括以下步骤：
(1)用SC1溶液清洗完成共晶反应的金属盖板预制件3～4分钟，去除去腔体内的金属Ti层；
(2)用去离子水清洗金属盖板预制件，时间不低于5分钟；
(3)将金属盖板预制件放入100摄氏度烘箱烘干20～30分钟。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种使用金锡焊料预成型片的封装方法，其特征在于：所述步骤5中，溅射钛为2000埃。
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