对玻璃与金属封装外壳气密性的认识

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1、对玻璃与金属封装外壳气密性的认识摘要：文中介绍了玻璃与金属的封接机理，指出了与气密性相关的因素，同时提出了分析产品漏气的几点思路。关键词：外壳；气密性；中图分类号：TN305．94文献标识码：A有人说外壳是元器件的躯干与四肢，亦有人说外壳与芯片是唇与齿、皮与肉的关系。总之，人们的共识是：外壳不仅是封装芯片的外衣，对其起有支撑(电连接、热传导、机械保护等)作用，同时亦是元器件的组成部分。外壳质量的好坏与元器件的质量与可靠性密切相关。众所周知，气密性既是外壳亦是元器件的重要指标之一，气密性不好会使外界水汽、有害离子或气体进入元器件的腔体

2、内而产生表面漏电，"结"发生变化、参数变坏等失效模式(据报导，由于腔体内湿气含量大而导致元器件失效的比例为总失效率的26％以上)。在GJB548A的方法1014A密封中，对未封盖外壳的气密性作了试验条件A4的规定，其失效判据：若无其它规定，如果"测量的漏率"Rl超过1×10-3Pa·cm3／s(氦)时，则器件(外壳)应视为失效。笔者通过学习和实践积累，对外壳的气密性有所认识，本文仅就玻璃与金属的封接机理及原材料、工艺方面与气密性相关因素谈谈个人看法，供有关人员了解、参考。1玻璃与金属的封接机理从金属外壳的外形、几何尺寸、引线(脚)数

3、以及引出形式，其中零件可谓五花八门、成千上万种，但按其封接应力(熔封型式)而言，主要是匹配封接和失配封接，究其封接机理将涉及到二个方面的问题：1．1玻璃与金属的润湿(浸润)问题1．1．1润湿问题这里所谓的润湿问题则是指玻璃与金属的结合力问题，要想达到玻璃与金属的良好密封，就必须使两者有良好的润湿性。玻璃与金属的润湿同液体对固体表面润湿的道理一样，即如水滴与物体接触时常出现的两种状况一种是水滴在荷叶上呈圆球形，其润湿角θ接近180℃(见图1)这种润湿显然是不好的；另一种是水滴落在木板上呈扁平形，其θ角近似于0°(见图2)，这便是很好的

4、润湿。1．1．2氧化物结合学说这种学说认为：玻璃是由多种氧化物所组成，在封接过程中，金属表面的氧化物能熔人玻璃内，从而成为玻璃成分的一部分，由此获得良好地密封。但该学说未能对高价氧化物能存在于玻璃成分中，并不能与玻璃做到很好的封接作出解释，而电力结合学说则从金属氧化物属于离键晶体结构的观点出发对其作了相应的解释。1．1．3电力结合学说这种学说认为：金属表面形成低价氧化物时，金属内层价电子并不参加化合作用，而形成高价氧化物时，金属内层价电子将参加化合作用。因此，金属氧化物的离子半径大小是随金属化合价的高低而不同。在高价氧化物时，由于金

5、属离子半径小，被氧离子紧密包围，使金属离子不能与玻璃中的正负离子很好地结合。当形成低价氧化物时，由于金属离子和周围的氧离子之间形成较大空隙，其电力线可以延伸出来，与玻璃中的正负离子获得最大的结合力和最小的排斥力，从而得到满意的封接(见图3)。a．润湿角与金属化合价间关系曲线；b.金属表面形成高价氧化物时与玻璃的电力线结合关系图；c.金属表面形成低价氧化物时与玻璃的电力线结合关系图；d．金属表面没有被氧化时与玻璃电力线结合关系曲线。由以上的分析告诉我们，在金属表面形成低价氧化层才能获得玻璃与金属的良好润湿效果。1．2膨胀系数问题这里所

6、谓的膨胀系数问题则是指在熔封过程中[主要是室温至应变点(Tg)温度范围内]玻璃与金属的膨胀系数应尽可能达到一致，原则上两者膨胀系数之差"Δα"应不大于10％，这时，便可获得最小的封接应力(既无害应力)，从而获得良好的密封效果。鉴于玻璃能承受较大的压应力，因此，在设计外壳和选择材料时，往往希望外层金属的膨胀系数略高于中间玻璃，中间玻璃的膨胀系数略高于中心金属(引出线、管)即遵循α外金≥α中玻≥α内金的原则。在匹配封接中，常用的封接材料是4J29柯伐合金与钼组玻璃相封接GBn97中规定4J29合金的平均线膨胀(20℃~400℃)α:4.

7、6~5．2×10-6℃／；SJ／T10587中规定DM-305的α：48~50×10-7／℃；规定DM-308的α：47-49×10-7／℃；有资料报导：当封接温度为970℃时，DM-305的润湿角为150，DM-308的润湿角为300。(从玻璃强度耐热度及TK-100点来看，DM-308玻璃略优于DM-305玻璃)。由以上的介绍告诉我们，选择。系数的一般原则及匹配封接可获得无有害应力的高强度封接，有助于获取良好的气密封接。在失配封接中，对于α系数的选择原则是α外金α中玻<α内金，应用的是压缩封接原理即保证外部金属对中间玻璃产生较大

8、的径向压应力(足以抵消内金属对中间玻璃所产生的径向拉应力)，最终保证(极易产生漏气部位)内金属与中间玻璃的封接处达到玻璃受到三向压应力，从而提高气密性。笔者在《半导体技术》1990年1期发表了《压缩封接及其应力计算公式简介》一文，故不