陶瓷外壳钎焊的工艺优化

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.04.020 第27卷第4期 北京科技大学学报 Vol.27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2005 陶瓷外壳钎焊的工艺优化 胡宇宁王思爱姚伟沈卓身 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要陶瓷DP外壳需要使用AgCu28钎料将4J42合金引线框架与陶瓷基板的焊区钎焊 在一起，焊后易出现钎料在引线框架上流淌的问题，影响产品的质量，这些问题与纤焊工艺 条件不当有关.本文在现场和实验室条件下系统研究了钎焊最高温度、保温时间和钎料用量 等对陶瓷外壳钎料流淌的影响，发现钎料的流淌主要与在熔点以上温度停留的时间有关，并 提出在下面三种工艺条件下可以获得较好的钎焊质量：先在700℃保温5mi,然后在800℃保 温4min,冷却：直接推到900℃高温区保温10min,再推到冷却区：以4min一舟，连续推舟通 过810℃高温区或调整带式炉带速使外壳在熔点以上温度停留时间不超过5min. 关键词陶瓷外壳：纤焊：AgCu28钎料：引线框架 分类号TG454 在陶瓷DP(Dual In--line Package)生产中，陶瓷 层厚度、钎焊工艺条件和钎料用量对陶瓷外壳钎 基板的焊区需要金属化和化学镀镍"，在镀镍层 料流淌的影响，为改进陶瓷外壳纤焊工艺，提高 与4J42合金引线框架中间放入AgCu28共晶钎料 钎焊接头质量提供依据. 片（熔点、流点均为779℃），几十只DP放在同一 石墨舟(10cm×15cm)里在氢气保护的钎焊炉中进 1实验设计 行钎焊.目前某厂采用的钎焊工艺主要有两种： 1.1实验装置 一是在钎焊少量陶瓷外壳时采用的高温快推方 法，即少量石墨舟直接推到1100℃左右高温区 现场所用钎焊炉为氢气气氛保护的电阻加 (恒温带20cm左右)停留45min后再推至冷却 热炉，炉子控温精度为5℃：实验室所用纤焊炉为 区：二是钎焊大量陶瓷外壳时采用的高温慢推的 智能控温的管式电阻炉，炉子控温精度为1℃ 1.2实验材料 方法，即领先的石墨舟推到1100℃左右高温区的 2/3处，停留6-7min后，每隔3-4min再推入一舟. 实验中使用8线DP的陶瓷外壳，引线框架 但在这两种工艺下焊后往往发现有钎料流淌到 为4J42合金，陶瓷基板焊接区金属化后再化学镀 框架表面，甚至结瘤，这不仅严重影响了产品的 镍，化学镀镍的时间分别为4,14,24min:图1是 外观，而且影响了在使用时外壳的插装. DP的局部示意图，从中可以看出焊区的位置. 由于钎料的流淌涉及到被焊材料的表面状 每侧四个钎焊区所用钎料片为厚0.06mm,长 态、钎料在高温下的熔化过程、液态钎料在金属 化陶瓷表面镀Ni层和4J42合金表面的铺展、被 ,陶瓷基板 焊材料的交互作用（包括溶解、扩散、熔蚀等）及 在冷却过程中钎料凝固形成牢固接头等一系列 问题以，而钎料的熔化与铺展性又受到钎焊工艺 条件的直接影响，因此，本文结合现场常用的两 焊接区 种主要生产工艺，分别在现场和实验室对陶瓷外 壳的钎焊工艺进行了研究，系统考察了化学镀镍 一引线框架 收稿日期：2004-04-13修回日期：200409-10 图1DIP局部示意图 作者简介：胡宇宁(1981一)，男，硕士研究生 Fig.1 Sketch of DIP

第 2 7 卷 第 4 期 :2 0 0 5 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n 扮 e r s iyt o f S e i e n c e a n d eT c h n 0 l0 gy B e ij in g 、 b l . 2 7 N 0 . 4 A u g . 2 0 0 5 陶瓷外壳钎焊的工艺优化 胡 宇宁 王 思 爱 姚 伟 沈卓 身 北 京科 技大 学材料 科学 与工 程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 陶 瓷 D IP 外 壳需 要使用 A g C u2 8 钎料 将 4 J42 合金 引线 框架 与 陶瓷基 板 的焊 区 钎焊 在 一 起 , 焊 后 易 出现 钎 料在 引线 框架 上 流淌 的 问题 , 影 响产 品的质 量 . 这些 问题 与钎焊 工 艺 条 件 不当 有关 . 本文 在现 场和 实验 室条 件 下系统 研 究 了钎 焊最 高温 度 、 保 温 时间和 钎料 用量 等 对 陶瓷 外壳钎 料流 淌 的影 响 , 发 现钎 料 的流淌 主 要与在 熔 点 以上 温度 停 留的 时间有 关 , 并 提 出在 下 面三种 工艺 条件 下可 以获得 较好 的钎 焊质 量 : 先在 7 0 ℃ 保温 s m in , 然后在 8 0 ℃ 保 温 4 m in , 冷却 ; 直接 推 到 9 0 ℃ 高温 区 保温 10 m in , 再推 到冷 却 区 ; 以 4 m in 一 舟 , 连 续推 舟通 过 8 10 ℃ 高 温 区或 调整带 式 炉带速 使 外壳 在熔 点 以上温 度 停 留时 间不超 过 s m i.n 关键 词 陶瓷 外壳 ; 钎焊 ; A g C u2 8 钎料 ; 引线 框架 分类 号 T G 4 5 4 在 陶 瓷 D IP (D ua l ln 一 il ne P a c k a g e) 生产 中 , 陶瓷 基板 的焊 区 需要 金 属 化和 化 学镀 镍 `l] , 在 镀 镍 层 与 4 4J 2 合 金 引线框 架 中 间放 入 A g C u2 8 共 晶钎 料 片 (熔 点 、 流 点 均 为 7 79 ℃ ) , 几 十 只 D IP 放 在 同 一 石 墨舟 ( IO c m 对 s c m )里 在氢 气 保护 的钎 焊炉 中进 行钎 焊 . 目前 某厂 采 用 的钎 焊 工 艺主 要 有两 种 : 一 是 在 钎焊 少 量 陶 瓷 外 壳 时采 用 的高 温 快 推 方 法 , 即少 量石 墨舟 直 接推 到 1 10 0 ℃ 左 右 高 温 区 ( 恒 温 带 20 c m 左 右 ) 停 留小 s m in 后 再推 至 冷 却 区 ; 二 是钎 焊大 量 陶瓷外 壳 时采 用 的高温 慢 推 的 方法 , 即领 先 的石 墨舟推 到 1 10 ℃ 左右 高温 区 的 :2/ 3 处 , 停 留 6一7 m in 后 , 每 隔 3一4 m in 再 推 入一 舟 . 但在 这 两 种 工 艺 下焊 后 往 往 发 现 有 钎料 流 淌 到 框架 表 面 , 甚 至 结瘤 . 这 不 仅严 重 影 响 了产 品 的 外观 , 而且 影 响 了在 使用 时外 壳 的插 装 . 由于 钎 料 的流 淌 涉 及 到 被 焊 材 料 的表 面 状 态 、 钎 料在 高温 下 的熔 化过 程 、 液态 钎 料在 金 属 化陶 瓷表 面 镀 N i 层 和 4 J 42 合 金表 面 的铺 展 、 被 焊 材 料 的交 互作 用 ( 包括溶 解 、 扩 散 、 熔 蚀 等 ) 及 在 冷 却 过程 中钎 料 凝 固形 成 牢 固接 头 等 一 系 列 问题 `2J , 而 钎料 的熔化 与 铺 展性 又 受 到钎 焊 工 艺 条件 的直接 影 响’ 3] , 因 此 , 本 文 结合 现场 常用 的两 种主 要生 产 工 艺 , 分 别在 现场 和 实验 室对 陶 瓷外 壳 的钎焊 工 艺进行 了研 究 , 系统考 察 了化 学镀 镍 收稿 日期 : 20 0 4 -0 今 13 修 回 日期 : 2 0 0 4 . 刁 9 一 10 作 者简 介 : 胡宇 宁 ( 19 81 一) , 男 , 硕 士 研 究生 层 厚度 、 钎焊 工 艺条 件和钎 料用 量对 陶 瓷外 壳钎 料 流 淌 的影 响 , 为改 进 陶瓷 外 壳钎 焊工 艺 , 提 高 钎 焊 接 头质 量提 供 依 据 . 1 实验 设 计 L l 实验 装置 现 场 所用 钎 焊 炉 为氢 气 气 氛 保 护 的 电阻 加 热 炉 , 炉 子控温 精度 为 5 ℃ ; 实验 室 所用钎 焊 炉为 智 能控 温 的管 式 电阻 炉 , 炉子 控温 精 度 为 1℃ . 1.2 实 验材 料 实验 中使用 8 线 D IP 的陶 瓷外 壳 , 引线 框 架 为 4 4J 2 合金 , 陶瓷基 板焊 接 区 金 属化 后再 化学镀 镍 , 化 学镀 镍的 时 间分 别 为 4 , 14 , 2 4 m i n ; 图 l 是 D IP 的局 部示 意 图 , 从 中可 以看 出焊 区 的位 置 . 每 侧 四 个 钎 焊 区 所 用 钎 料 片 为 厚 .0 06 m m , 长 陶瓷基板 图 1 D I P 局部 示意 图 F i.g l S k e ct h o f D I P DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 04. 020

·470· 北京科技大学学报 2005年第4期 10.24mm的AgCu28合金，实验室所用钎料片宽 但加强筋处的纤料较少，没有钎料流淌：3级一 度分别为1.8,1.5,1.2,1.0,0.8,0.6mm,代表六种不 在引线框架内侧只有很少的钎料流淌：4级一 同的钎料用量.现场所用钎料片宽度分别为12， 在引线框架内侧的表面有较多的钎料流淌：5级 1.0,0.8,0.6mm,代表四种不同的纤料用量.分别 一在引线框架的内、外侧均有严重的钎料流 将同一化学镀镍时间的陶瓷片、相同宽度的纤料 淌，纤料几乎布满了整个引线框架的表面， 片和引线框架装架在石墨模具上. 1.3实验步骤 2 实验结果 (1)现场钎焊工艺实验， 在现场将两层并排的石墨舟依次推入炉中 2.1现场钎焊工艺实验 钎焊，选择了四类九种不同的钎焊工艺条件，钎 (1)在连续推舟，最高温度810℃情况下，以每 焊后检查钎料的流淌情况.这些工艺如下：①模 7min一舟的速度推舟钎焊，发现使用四种不同 拟带式炉生产情况，即在连续推舟状态下最高温 宽度的钎料进行钎焊实验的样品上均发现流淌 度为810℃左右，保温不同时间进行钎焊.②模拟 现象：而以5min一舟的仅发生轻微流淌现象. 带式炉生产情况，先在钎料熔点以下（约700℃） (2)在钎料熔点以下(700℃左右)保温10min, 充分保温，然后在810℃停留不同时间进行钎焊， 然后在810℃分别保温8和5min后推至冷却区. ③低温（约250℃）保温5min,然后推至860-870℃ 结果四种钎焊实验的样品上均发现流淌现象：而 进行钎焊.④直接推到900℃高温区进行钎焊. 在700℃左右保温5min,然后在800℃保温4min, (2)实验室钎焊实验， 再推到冷却区的样品完全焊上且没有流淌， 将一只陶瓷外壳放在1.5cm×2.5cm的石墨 (3)低温保温（靠近炉口）5min,在860℃保温3 夹具中，分别在下述条件下进行钎焊实验： min和870℃保温5min,再推到冷却区的两组纤 ①模拟现场高温快推的条件.直接推到900 焊实验样品均未焊上， ℃保温不同时间，然后推至冷却区，由于镀镍层 (4)直接推到900℃高温区保温5min进行钎 厚度及钎料用量、保温时间不同，共计54组实 焊的实验样品均未焊上.而保温10min的样品完 验 全焊上且没有流淌. ②模拟带式炉生产的条件.先在钎料熔点以 2.2实验室钎焊实验 下(700℃左右)保温3min,再在800℃停留不同时 (1)模拟现场高温快推的条件.直接推到高温 间进行钎焊，然后推到冷却区.由于镀镍层厚度 区900℃保温某个时间，然后推至冷却区，保温时 以及钎料用量、保温时间不同，共计36组实验， 间是按照不同宽度的纤钎料是否发生流淌确定的. 1.4实验评价 若发生流淌，则继续减少保温时间，进行新的一 钎焊后检查外壳钎焊的外观质量，并分为以 组实验，直至不发生流淌为止.共进行了54组实 下五个级别：1级一焊缝处与加强筋处的钎料 验，按照实验步骤中所分的级别外壳的钎焊质量 都很饱满，没有钎料流淌：2级一焊缝处很饱满 外观检查结果如表1所示 表1直接推到高温区900℃保温不同时间的外壳钎焊质量检查结果 Table I Results of the quality of the packages which were directly pushed in a brazing furnace at 900'C for various hold times 钎料片宽度/mm 镀镍时间min保温时间min 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 6 5级 5级 4级 4级 3级 3级 24 5级 5级 3级 2级 2级 2级 2 1级 1级 I级 1级 2级 2级 6 5级 5级 5级 5级 5级 5级 4 5级 5级 4级 4级 3级 3级 14 3 5级 4级 3级 3级 3级 2级 5级 4级 1级 1级 2级 2级 4 5级 4级 4级 4级 4级 3级 4 2 4级 3级 1级 1级 2级 2级

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 4 期 10 .2 4 m m 的 A gC u2 8 合金 . 实验 室所 用 钎料 片 宽 度分 别 为 1 . 8 , 1 . 5 , 1 . 2 , 1 . 0 , 0 . 8 , 0 . 6 un , 代表 六种 不 同 的钎料 用 量 . 现 场所 用钎 料 片 宽度 分别 为 1 . 2, 1 . 0 , .0 8 , .0 6 lnI , 代 表 四种 不 同 的钎料 用量 . 分 别 将 同一化 学镀 镍 时间 的陶瓷 片 、 相 同宽度 的钎料 片和 引线框 架装 架在 石 墨模具 上 , 1 3 实验 步骤 ( l) 现 场钎 焊 工艺 实验 . 在 现场 将 两层 并 排 的 石 墨舟 依 次 推 入 炉 中 钎 焊 , 选 择 了 四类 九 种不 同的钎 焊工 艺 条件 , 钎 焊后 检 查钎 料 的流淌 情 况 . 这 些 工艺 如 下 : ①模 拟 带 式炉 生产情 况 , 即在 连续 推舟 状态 下最 高温 度 为 8 10 ℃左 右 , 保温 不 同时 间进行 钎焊 . ② 模拟 带 式 炉生 产情 况 , 先 在钎 料熔 点 以下 ( 约 7 0 ℃ ) 充 分保温 , 然 后在 8 10 ℃ 停 留不 同时 间进 行 钎焊 . ③低 温 ( 约 2 5 0 oC )保 温 5 m i n , 然 后推至 86 0 一 87 0 oC 进行 钎 焊 . ④ 直接 推 到 9 0 ℃ 高温 区 进行 钎焊 . (2 ) 实验 室钎 焊 实验 . 将 一只 陶 瓷外 壳放 在 1 . 5 c m ` .2 5 c m 的 石墨 夹 具 中 , 分 别在 下述 条件 下 进行 钎 焊实 验 : ① 模 拟现 场 高温 快 推 的条 件 . 直 接 推到 9 0 ℃ 保温 不 同时 间 , 然 后推 至冷 却 区 . 由于镀 镍层 厚度 及 钎料 用量 、 保温 时 间不 同 , 共计 54 组 实 验 . ② 模拟 带 式炉 生产 的 条件 . 先 在 钎 料熔点 以 下 (70 0℃ 左右 )保 温 3 m in , 再 在 8 0 ℃ 停 留不 同时 间进 行钎 焊 , 然 后推 到冷 却 区 . 由于镀 镍 层厚 度 以及钎 料用 量 、 保温 时 间不 同 , 共 计 36 组 实验 . 1.4 实验 评 价 钎 焊 后检 查外 壳钎 焊 的外观 质量 , 并分 为 以 下 五个 级别 : 1 级— 焊 缝 处与 加 强筋 处 的钎料 都很饱 满 , 没 有钎料 流淌 ; 2 级— 焊缝 处很 饱满 但 加 强筋 处 的钎 料较 少 , 没有钎 料 流淌 ; 3 级 在 引线 框 架 内侧只 有 很 少的钎 料 流淌 ; 4 级 — 在 引线 框架 内侧 的表 面有较 多的钎 料 流淌 ;—5 级 — 在 引线 框 架 的 内 、 外 侧 均有 严 重 的钎 料 流 淌 , 钎料 几 乎布 满 了整 个 引线框 架 的表 面 . 2 实 验结 果 .2 1 现场 钎焊 工 艺 实验 ( l) 在 连续 推舟 , 最 高温度 8 10 ℃ 情况 下 , 以 每 7 m in 一舟 的速 度 推舟 钎焊 , 发现 使用 四种 不 同 宽度 的钎 料 进 行钎 焊 实 验 的样 品上 均发 现 流淌 现 象 ; 而 以 s m in 一舟 的仅发 生轻 微流 淌现 象 . (2 ) 在钎 料熔 点 以下 ( 7 0 ℃ 左 右 )保 温 10 m in , 然 后 在 8 10 ℃ 分 别 保温 8 和 s m in 后 推至 冷 却 区 . 结果 四种钎 焊 实验 的样 品 上均 发现流 淌现 象 ; 而 在 70 ℃ 左 右保温 s m in , 然后 在 8 0 ℃ 保 温 4 m in , 再 推 到冷 却 区 的样 品 完全 焊上 且 没有 流淌 . ( 3) 低温 保温 ( 靠近 炉 口 ) s m i n , 在 86 0 oC 保 温 3 m in 和 870 ℃ 保 温 5 m in , 再推 到 冷却 区 的两 组钎 焊 实验样 品均 未 焊 上 . (4) 直接 推 到 9 0 ℃ 高温 区 保温 s m in 进行 钎 焊 的实验 样 品均 未焊上 . 而保 温 10 m in 的样 品完 全 焊上 且 没有 流淌 . .2 2 实验室 钎焊 实 验 ( l) 模拟 现场 高温 快推 的条件 . 直接 推 到高温 区 9 0 0℃ 保 温某 个 时间 , 然后推 至冷 却 区 , 保 温时 间是 按照 不 同宽度 的钎料 是 否 发 生流淌 确定 的 . 若发 生流 淌 , 则继 续减 少保 温 时 间 , 进行 新 的一 组实验 , 直至 不 发生 流淌 为止 . 共进行 了 54 组 实 验 , 按照 实验步 骤 中所分 的级别 外壳 的钎 焊质 量 外 观检 查 结 果如表 1 所 示 . 表 1 直 接推到 高温 区 , 0 ℃ 保 温不 同 时间 的外壳 钎焊质 量检查 结果 aT b k l 砒 s u l t s o f th e q u a 胜yt o f 伍 e p a e如罗 s w h i e h 卿比 d i代 e d y P u s h e d i n a b r a z l n g 加 nr a e e a t g. o℃ of r v a ir o u s h o ld 拄m es 镀 镍时 间 m/ in 保温 时 间 m/ in 钎料 片宽度 Zm 切

Vol.27 No.4 胡宇宁等：陶瓷外壳钎焊的工艺优化 ·471· (2)模拟带式炉生产情况.先在钎料熔点以下 同时间进行钎焊，然后推到冷却区的36组实验， 高温区(700℃左右)保温3min,再在800℃停留不 钎焊质量外观检查结果如表2所示. 表2先700℃保温，再在800℃停留不同时间的外壳钎焊质量检查结果 Table 2 Results of the quality of the packages which were firstly remaiped at 700'C and then brazed at 800'C for various hold times 钎料片宽度mm 镀镍时间min 保温时间min 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 4级 3级 3级 3级 2级 2级 24 3 1级 1级 1级 1级 1级 2级 3 3级 3级 1级 1级 1级 2级 14 3 1级 1级 1级 1级 1级 2级 4级 4级 4级 3级 3级 3级 g 1级 1级 1级 1级 1级 2级 3讨论 接头的条件要求较宽：如高于熔点的保温时间在 2~3min内都可以，钎料的用量也没有严格的限 从实验结果可以看出，钎焊方式、镀镍层厚 制，几乎所有宽度的钎料都可以得到很好的接 度、钎料用量和在熔点以上的停留时间都会影响 头，对镀镍层的厚度的要求也不严格，即使是4 AgCu28合金在陶瓷外壳表面的流淌过程， min的镀镍层也可以得到1级的接头. 3.1钎焊方式对钎料流淌的影响 3.2镀镍层厚度与流淌的关系 在现场高温快推条件下，由于多层石墨舟并 在同一种工艺条件相同的保温时间、相同的 排布置，室温的石墨、陶瓷外壳等直接推到高温 钎料用量情况下，比较不同厚度化学镀镍层上的 区后导致炉温骤降.要使得摆放在舟中不同位置 外壳钎料流淌的情况，可以看出，随镀层厚度的 的陶瓷外壳全部达到钎焊温度，需要较长的停留 增加，流淌现象有逐渐减轻的趋势.钎料的流淌 时间.故直接推入900℃高温区保温5min进行钎 是发生在铅垂方向布置的纤料在4J42合金引线 焊的实验样品均未焊上，而保温10min的样品完 框架与陶瓷片上的化学镀镍层之间所构成的狭 全焊上且没有流淌，这说明钎料的熔化是在5 缝里，所以不仅涉及到纤料与被焊材料之间的表 min后开始的.而在实验室的高温快推条件下，单 面张力、化学作用，而且也涉及到熔融钎料自身 只陶瓷外壳很容易达到钎焊温度，在2min左右 的重力，故钎料在水平方向上的铺展与流淌的 就可以完成钎焊过程， 情况并不完全一致.对铺展而言，在化学镀镍14 从实验结果也可以看出，不管是在现场条件 min时，钎料的铺展面积就可以很小，而对流淌 下还是在实验室条件下，高温快推法与先在接近 而言，从表2可以看出，在化学镀镍24min时，较 钎料熔点的高温下保温一段时间的方法之间存 厚的镀镍层才能对流淌起到某种作用.但即使是 在着差异.在高温快推法中要得到比较好的接头 再厚的镀镍层厚度也只是推迟了出现流淌的时 对实验的条件要求比较高：(1)在高温区的保温时 间，但不可能消除流淌. 间要严格控制在一定范围内，如现场条件下不超 3.3钎料用量与流淌的关系 过10min,而在实验室条件下不超过2min才能 比较不同钎料用量的流淌情况可以看出，存 避免钎料流淌：(2)钎料用量在1.0-1.2mm的范围 在着钎料用量的一个最佳范围，超过这一范围， 内获得较好钎焊质量的几率增大：(3)与4min的 随着钎料用量的增加流淌逐渐加剧，小于这一范 镀镍层的情况相比，镀镍层越厚钎焊的质量越 围，加强筋处的钎料就有可能不够饱满.这是由 好：(4)钎焊质量的一致性难以保证，特别是批量 于当钎料用量处于最佳范围时，陶瓷片上的镀镍 钎焊时，摆放在舟中不同位置的陶瓷外壳很容易 层和4J42合金提供的表面张力可以平衡液态钎 出现一部分发生流淌，另一部分钎焊质量较好的 料的重力，使它保存在焊缝中而不流出；但当钎 情况.而在700℃保温一段时间，再在800810℃ 料用量过多时，焊缝中的钎料重力增大，表面张 进行钎焊的方法，可以使所有部件都能受热均 力已不能维持钎料在焊缝中，于是发生了流淌， 匀，容易保证整体的钎焊质量，对得到同样质量 随着剩余纤料减少，表面张力与重力重新达到平

匕】 V . 7 N 2 0 . 胡 宇 宁等 4 : 陶 瓷外 壳钎焊 的工艺优 化 模拟 带式 炉 生产 情况 2 ) ( . 先 在钎 料熔点 以下 高温 区 ( 7 ℃ 左 右 保温 0 ) i 3 m n , 再 在 8 0 ℃ 停 留不 同 时间进 行 钎焊 , 然后 推 到冷 却 区 的 36 组实 验 , 钎 焊 质 量外 观 检 查结 果如 表 2 所 示 . 表 2 先 7 0 ℃ 保温 , 再 在 8 0 ℃ 停 留不同 时 间的外 壳钎焊 质最 检查 结果 aT b l e Z 取 s u lt s o f th e q u a l ity o f t h e P a e ak g e s w h i c h w e re if rs t ly re m a i n e d a t 7 0 0 ℃ a n d t h e n b r a z e d a t 8 0 0 ℃ of r v a r i o u s h o ld ti m e s 镀 镍 时间 m/ in 保 温 时 间 m/ in 钎 料片 宽度八m n 4 4 4 级 4 级 4 级 3 级 3 级 3 级 2 1 级 l 级 l 级 l 级 l 级 2 级 3 讨论 从实 验 结果 可 以看 出 , 钎 焊 方 式 、 镀镍 层 厚 度 、 钎料 用量 和在 熔 点 以上 的停 留 时间都 会 影响 A g C u2 8 合 金 在 陶瓷 外 壳表 面 的流 淌 过 程 . 3 . 1 钎焊 方 式 对钎 料 流 淌 的影 响 在 现场 高温 快 推 条件 下 , 由于 多层 石 墨舟 并 排布 置 , 室 温 的石 墨 、 陶瓷 外 壳等 直 接推 到 高 温 区 后导 致炉 温骤 降 . 要 使得 摆放 在 舟 中不 同位 置 的陶瓷外 壳 全部 达 到钎 焊温 度 , 需 要较 长 的停 留 时 间 . 故 直接 推入 9 0 ℃ 高温 区保温 s m in 进 行钎 焊 的实 验样 品 均未 焊 上 , 而 保温 10 m in 的样 .品完 全 焊上 且 没 有 流 淌 . 这 说 明 钎 料 的熔 化 是 在 5 m in 后 开始 的 . 而在 实验 室 的高温 快推 条件 下 一 , 单 只 陶 瓷外 壳 很 容 易达 到钎 焊 温度 , 在 Z m in 左 右 就 可 以完 成 钎焊 过程 . 从 实验 结果 也 可 以看 出 , 不 管是 在现 场 条件 下还 是在 实验 室 条件 下 , 高温 快 推法 与 先在 接近 钎料 熔 点 的高温 下保 温 一 段 时 间的 方法 之 间存 在 着 差异 . 在 高温 快 推法 中要 得 到 比 较好 的接 头 对 实验 的条 件要 求 比较 高 : ( 1) 在 高温 区 的保温 时 间要严 格控 制在 一 定 范 围内 , 如现 场 条件 下不 超 过 or m in , 而在 实 验 室条 件 下 不超 过 Z m in 才 能 避 免钎 料 流淌 ; (2 )钎 料 用量 在 1 . 0一 1 . 2 m m 的范 围 内获得 较 好钎 焊 质量 的几 率增 大 ; ( 3) 与 4 m in 的 镀镍 层 的情 况 相 比 , 镀 镍 层 越 厚 钎 焊 的质 量 越 好 ; (4 ) 钎 焊 质量 的一致 性 难 以保 证 , 特 别 是批 量 钎 焊 时 , 摆 放在 舟 中不 同位 置 的 陶瓷外 壳 很容 易 出现一 部分 发 生流淌 , 另一 部 分钎 焊质 量较 好 的 情 况 . 而 在 7 0 ℃ 保温 一 段 时 间 , 再在 80 一 8 10 ℃ 进行 钎 焊 的 方法 , 可 以 使 所 有 部 件 都 能受 热 均 匀 , 容 易保 证整 体 的钎焊 质 量 , 对 得 到 同样 质 量 接 头 的条件 要求 较 宽 : 如 高于熔 点 的保温 时 间在 2一 3 m in 内都 可 以 , 钎 料 的用 量 也没 有 严格 的限 制 , 几 乎 所 有 宽度 的钎 料 都 可 以得 到 很 好 的接 头 , 对镀 镍 层 的厚 度 的要 求 也不 严 格 , 即使 是 4 m in 的镀 镍层 也 可 以 得 到 1 级 的接 头 . .3 2 镀镍 层 厚 度 与流 淌 的 关系 在 同 一种 工艺 条件 相 同 的保温 时间 、 相 同 的 钎 料用 量情 况 下 , 比较 不 同厚度 化学 镀镍 层上 的 外 壳钎 料 流淌 的情 况 . 可 以看 出 , 随镀 层 厚度 的 增 加 , 流 淌现 象 有 逐渐 减 轻 的趋 势 . 钎 料 的流 淌 是 发生 在 铅 垂方 向布置 的钎 料在 4J 42 合金 引 线 框 架 与 陶 瓷片 上 的 化 学镀 镍 层 之 间所 构 成 的狭 缝 里 , 所 以不仅涉 及 到钎 料 与被焊 材料 之 间的表 面张 力 、 化 学 作 用 , 而 且 也涉 及 到熔 融钎 料 自身 的重 力 , 故钎 料 在水 平方 向上 的铺展 “ .5] 与流 淌 的 情 况 并不 完全 一 致 . 对 铺 展 而 言 , 在 化 学镀 镍 14 m in 时 , 钎 料 的铺 展 面积 就 可 以很 小! ;e] 而对 流 淌 而 言 , 从 表 2 可 以看 出 , 在 化学 镀 镍 24 m in 时 , 较 厚 的镀镍 层才 能对 流 淌起 到某 种作 用 . 但 即 使 是 再 厚 的镀 镍 层 厚度 也 只 是 推 迟 了出现 流 淌 的 时 间 , 但 不可 能 消 除流 淌 . .3 3 钎 料 用量 与流 淌 的 关系 比较 不 同钎 料 用量 的流淌 情 况可 以看 出 , 存 在着 钎 料 用量 的一个 最 佳 范 围 , 超 过这 一 范 围 , 随着 钎 料用 量 的增加 流淌 逐渐 加 剧 , 小于 这一 范 围 , 加 强 筋 处 的钎料 就 有 可 能不够 饱 满 . 这 是 由 于 当 钎料 用量 处 于最佳 范 围时 , 陶瓷片 上 的镀镍 层 和 4 J4 2 合金 提 供 的表 面 张力 可 以平 衡 液态 钎 料 的 重力 , 使 它保 存 在焊 缝 中而 不 流 出 ; 但 当钎 料 用 量 过 多时 , 焊缝 中的钎 料 重力 增 大 , 表 面 张 力 已 不 能维 持 钎料 在 焊缝 中 , 于是 发 生 了 流淌 , 随 着剩 余钎 料 减少 , 表 面 张力 与重 力重 新达 到平

·472· 北京科技大学学报 2005年第4期 衡，流淌不再继续.表面张力与重力的交互作用 瓷外壳的钎焊质量. 涉及一个动力学过程”，在纤料用量超出最佳范 (2)钎料的用量也是影响陶瓷外壳钎料流淌 围时，只有严格控制在熔化点以上温度停留的时 的重要原因，控制钎料的用量可以减少钎料流淌 间，使熔融钎料在发生流淌之前迅速冷却凝固， 的倾向：增加化学镀镍层的厚度可以减少但不能 才有可能避免流淌的发生， 消除陶瓷外壳钎料流淌的问题， 34熔点以上温度停留时间与流淌的关系 (3)对批量生产的陶瓷外壳，推荐的钎焊工 由现场钎焊实验结果可以看出810℃，7min 艺条件是：先在700℃保温5min,然后在800℃保 一舟发生纤料流淌，而5min一舟流淌轻微，说明 温4min,再推到冷却区；直接推到900℃高温区 在熔化温度以上停留时间越长，越容易出现流淌 保温l0min,再推到冷却区；以4min一舟，连续 现象，可见，进一步提高推舟速度，即缩短在熔点 推舟通过810℃高温区或调整带式炉带速使外壳 以上温度的保温时间完全可以避免流淌的发生， 在熔点以上温度停留时间不超过5min. 实验室钎焊实验结果也表明：在其他条件相 同的情况下，随着停留时间的增加，流淌逐渐加 参考文献 剧；而且当停留时间超过某一临界时间时，在几 []刘联宝，杨钰平，柯春和，等.陶瓷-金属封接技术指南 乎所有的实验条件下，都会出现流淌现象，随着 北京：国防工业出版社，1990.83 [2]张启运，庄鸿寿，纤焊手册，北京：机械工业出版社，1998 厚度的增加和钎料用量的减少，这一临界时间逐 532 渐增加.作为一般规律，钎料熔化后在熔点以上 [3]Sharps P R,Tomsia A P,Pask J A.Wetting and spreading in the 温度停留时间不要超过2-3min,否则将容易发 Cu-Ag system.Acta Metall,1981,29(5):855 生流淌现象. [4]Weirauch D A,Krafick W J Jr.The spreading kinetics of Ag- 28Cu(L)on nickel(S)part I:area of spread tests on nickel foil.J Mater Res,1996,11(8:1897 4结论 [5]Weirauch D A,Horvath S F Jt.The spreading kinetics of Ag- 28Cu(L)on nickel(S)part II:area of spread on surfaces plated (1)陶瓷外壳轩料的流淌主要与在熔点以上 with electrolytic Ni.J Mater Res,1997,12(4):953 温度停留的时间有关，纤料熔化后在熔点以上温 [6)]姚伟，王思爱，沈卓身.AgCu28共品纤料的铺展性研究 度停留时间不要超过2-3min,否则将容易发生 电子元件与材料，2004,23(8)：36 [7]Klein-Wassink R J.Soldering in Electronics.Ayr:Electrochem 流淌现象；相对高温快推法而言，高温预热后再 ical Publications Ltd,1989.78 在熔点以上保温一段时间的方法更容易保证陶 Optimization of brazing process for ceramic package HU Yuning,WANG Siai,YAO Wei,SHEN Zhuoshen Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT When the leadframe made of 4J42 alloy is brazed to the brazing zone of an alumina substrate using an AgCu28 filler in ceramic DIP production,the liquid filler often flows onto the surface of the leadframe after braz- ing,and the quality of finished products is influenced greatly.These problems are related to improper brazing pro- cess for ceramic package.The effects of brazing temperature,hold time and filler quantity on the flow of an AgCu28 filler were studied under factory and laboratory conditions.The results showed that the flow of the AgCu28 filler mostly depends on the hold time at the temperature above the melting point.Three optimum brazing processes in which the flow of the filler could be avoid were found:firstly held at 700'C for 5 min and then held at 800C for 4 min,secondly held at 900C for 10 min,and in the last process,the graphite boats passed through the zone of 810C at the speed of a boat every 4 min in the manual way or the hold time at the temperature above the melting point is limited in 5 min by adjusting the belt speed of the conveyer-type continuous furnace. KEY WORDS ceramic package;brazing:AgCu28 filler metal;leadframe

. 4 72 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第4 期 衡 , 流淌 不再 继续 . 表面 张 力 与重力 的交互 作用 涉及 一 个动 力 学过程 【7] , 在钎 料用 量 超 出最 佳 范 围时 , 只有 严格 控 制在熔 化 点 以上温 度 停留的时 间 , 使熔 融 钎料 在 发生 流淌 之 前迅 速冷 却 凝 固 , 才 有可 能 避免 流淌 的发生 . .3 4 熔点 以上 温 度停 留 时 间与流 淌 的关 系 由现 场钎 焊 实验 结 果可 以看 出 8 10 ℃ , 7 m in 一舟 发 生钎 料流淌 , 而 s m in 一舟 流 淌轻 微 , 说 明 在熔 化温度 以上停 留 时间越长 , 越 容 易 出现 流淌 现 象 . 可见 , 进 一步 提 高推舟速 度 , 即缩 短在熔点 以上温度 的保温 时 间完全 可 以避 免流 淌 的发 生 . 实验 室钎 焊 实验 结果 也表 明 : 在其 他 条件相 同的情 况 下 , 随着 停 留 时间 的增 加 , 流淌 逐 渐加 剧 ; 而 且 当停 留 时间超 过 某一 临 界 时间 时 , 在几 乎所 有 的实 验条 件 下 , 都会 出现流 淌现 象 . 随着 厚度 的增加 和钎 料用 量 的减少 , 这 一 临界 时间逐 渐 增 加 , 作 为一 般 规律 , 钎 料熔 化 后 在熔 点 以上 温 度停 留时 间不 要超 过 2一3 m in , 否 则将容 易发 生流淌 现 象 . 瓷外 壳的钎 焊质 量 . (2 ) 钎 料 的用 量 也是 影响 陶 瓷外 壳钎料 流 淌 的重要 原 因 , 控 制钎 料的用 量 可 以减 少钎 料流 淌 的倾 向 ; 增 加化 学镀镍 层 的厚度 可 以减 少但 不 能 消 除陶 瓷外 壳钎 料 流淌 的问题 . (3) 对 批 量生 产 的陶 瓷外 壳 , 推 荐 的钎焊 工 艺条 件 是 : 先在 7 0 ℃ 保 温 s m in , 然后 在 8 0 ℃ 保 温 4 m in , 再推 到冷 却 区 ; 直 接 推到 9 0 ℃ 高温 区 保 温 10 m in , 再 推 到冷 却 区 ; 以 4 m in 一舟 , 连 续 推舟 通 过 8 10 ℃ 高温 区 或调整 带 式炉 带速使 外 壳 在熔点 以上 温度 停 留时间 不超 过 s m i.n 4 结 论 ( l) 陶瓷 外 壳钎 料 的流 淌主 要 与在熔 点 以上 温度 停 留的 时间有 关 , 钎 料熔 化 后在熔 点 以上温 度 停 留时间 不要超 过 2一 3 m in , 否则 将容 易 发生 流 淌 现象 ; 相对 高温 快 推法 而 言 , 高温 预 热后 再 在 熔 点 以上 保 温 一段 时间 的 方法 更 容 易保 证 陶 参 考 文 献 走1] 刘联 宝 , 杨任 平 , 柯 春和 , 等 . 陶瓷一 金属封 接技术 指南 . 北京 : 国防工业 出 版社 , 19 0 . 83 2[ ] 张 启运 , 庄鸿 寿 . 钎 焊手册 . 北 京 : 机 械工 业 出版 社 , 19 98 . 5 3 2 [3 ] S h a 印 s P 民 OT m s i a A P, Pas k J A . W七t ign an d sP er ad in g in ht e C u一 gA sy s t e m . A c t a M e at l , 19 8 1 , 2 9 ( 5 ) : 8 5 5 [4 j We ir auc h D A , K沙a if e k W J rJ hT e s厂 e a d l n g k i n et i e s o f gA · 2 8C u伍) o n ia e k e l ( S ) P art l : are a o f s Pre ad te s ts o n n i e ke l of i l . J M a te r R e , , 19 9 6 , 1 1 ( 8) : 18 9 7 15 ] We l r a u e h D A, H vor hat 5 F J t T h e sP er ad ign k咖 ti e s o f gA - 2 8C u伍 ) on n i c k e l( S ) P art 11 : aer a o f s P r e ad on s ur 俪 e s Pl aet d w iht e l e e otr lyt i c N i . J M a t e r eR s , 19 97 , 12 ( 4 ) : 9 53 6[ l 姚伟 , 王思爱 , 沈 卓身 . A醉u2 8 共 晶钎 料的铺 展性研 究 . 电 子 元件 与材 料 , 2 0 0 4 , 2 3 (8 ) : 36 [ 7 ] K l e in 一 W舀s s i n k R J . S o ld e irn g in El e e加 n i e s . yA r : El e e otr e h e m · i e al uP b li c iat o n s L dt , 19 8 9 . 7 8 O P t im i z at i o n o f b r az i n g P ro e e s s fo r e e r am i e P a e k a g e 万口 uY n 切g 环月N G S ia i, YA 口 肠i, `弘醒八 了 hZ “ os h en Maet ir a l s S e i e cn e an d E n gin e e r i n g S e h o o l , U 苗v er s ity o f s e i e cn e an d eT c hn o l o gy B e ij ign , B e ij l n g l 0 0 0 8 3 , Ch in a A B S T R A C T W】l e n ht e l e ad fr am e m a d e o f 4 J 4 2 a l l o y 1 5 b r az e d t o t he b arz ign z o n e o f an a l切m i n a s u b str at e us i n g an A gC u2 8 if ll e r in e e r 田m i e D IP P r o d u e it o n , ht e li种d if l l e r o fet n fl o w s o n t o ht e s ur af e e o f ht e l e a d fr aJ m e aft e r b r az · ign , 汕d het q u a liyt o f ifn i s h e d P or d u c t s i s i n fl ue cn e d gr e at l.y T七e s e rP ob l em s ar e er l at e d t o 1m P r o P e r b r az i n g P r 0 , c e s s for e e r a 幻n i e P ac k a g e . T h e e fe e t s o f b arZ ign et m P e r a t u r e , h o l d t im e an d if ll e r q anU t iyt on ht e fl ow o f an A g C u2 8 if ll e r w er s ut d i e d un d e r af e t o yr a n d l ab o r at o yr e o dn it on s . hT e er s ul t s s h o w e d ht at ht e fl o w o f het A g C u2 8 if ll e r m o st l y d e P e n d s o n ht e h o l d t im e at ht e t e m p e r a t u r e ab o v e ht e m e l int g P o int . T h r e e o tP lmu br iaZ n g P r o c e s s e s i n hw i ch ht e fl o w o f t h e if l l e r c ou ld b e va o id w er e fo un d : ifr st ly h e ld at 7 00 ℃ fo r 5 m in an d ht e n h e l d at 8 0 0 oC fo r 4 m in , s e e o n dly h e ld at 9 0 0 oC for 1 0 m in , a n d in ht e last P r o e e s s , ht e gr a P h i te b o at s P as s e d htr o u gh het z on e o f 8 l 0 oC at ht e s P e e d o f a b o at ve e yr 4 m in in ht e m a n u a 1 w ay o r het ho l d t i m e at ht e t e m P e r at ur e ab o v e het m e l int g P o i nt i s lim it e d in 5 m i n by adj us it gn ht e b e it s P e e d o f ht e c von e y e r 一 yt P e c o int n u o u s fu m a e e . K E Y W O R D S e er am i e P a e k a g e ; b r az ign ; AgC u2 8 if l l e r m e tal ; le ad fr a m e