摘要：4J42合金电子封装外壳进行Nd：YAG脉冲激光焊接密封时，有时会产生焊接裂纹。研究了激光输出功率和脉冲波形、壳体镀涂等工艺因素对焊接裂纹产生的影响。试验结果表明，激光输出功率和脉冲波形、壳体镀涂工艺因素对焊接裂纹的产生有重要影响。通过降低激光输出功率，采用组合脉冲波形和电镀的方法来控制焊接裂纹的产生，4J42合金封装外壳的密封成品率得到有效提高。

关键词：4J42合金；封装；Nd：YAG脉冲激光焊；焊接裂纹

1序言

4J42合金是适用于电器元件与硬玻璃、软玻璃、陶瓷匹配封接的玻璃封接合金，制备成电子封装外壳，进行镀涂后采用平行缝焊的方法密封很成熟，成品率高达99％以上。对于大型复杂多芯片组件封装(其示意图如图1所示)，盖板外形尺寸较大，为了保证强度，盖板的厚度也相应较厚(一般0．4mm以上)，这时4J42合金封装外壳一般采用Nd：YAG脉冲激光焊进行封盖。经过小批量试验研究发现，4J42合金大型复杂多芯片组件的激光封盖会出现焊接裂纹，造成密封泄漏。大型复杂微波多芯片组件的功能多，技术复杂，芯片、电路基板和气密封装的价值高，其可靠性要求又高，密封要求达到气密，因此必需解决激光焊接产生裂纹的问题，提高气密封装成品率。

本文通过工艺试验，研究了激光输出功率和脉冲波形、壳体镀涂等工艺因素与激光焊接裂纹产生的相互关系，然后优化工艺，有效控制了焊接裂纹的产生，4J42合金封装外壳的密封成品率得到很大提高。

2试验材料及方法

2．1试验材料

试验的多芯片组件壳体围框和盖板所用的4J42合金的CTE为4—6(10—6／O℃)，软态下的抗拉强度为570N／mm2，其化学成分见表1。

2.2试验方法

激光密封焊的焊接接头采用搭接方式，示意图见图l。盖板搭接的厚度为0．5mm，凸台式结构，总厚度为1mm，示意图见图2；壳体围框壁厚1mm，外形尺寸为80mmX15mmX10mm(长×宽×高)。封装过程为：4J42合金壳体围框、4J42合金盖板和Al／SiC复合材料热沉底板都进行镀Au；接着热沉、其它I／O连接器与壳体围框采用80Au20Sn焊料(熔点280℃)进行钎焊密封；然后对钎焊焊缝进行密封检漏和返修补漏，使封装壳体不泄漏；最后采用激光焊进行盖板密封，并进行密封检漏和显微镜下焊接裂纹的检查。

激光封盖的焊接设备为德国TRUMPF公司的HL506P型Nd：YAG脉冲激光焊机。依据GJB548A一96方法1014A密封试验程序，使用日本ULVAC公司的HELIOT700型氦质谱检漏仪进行细检漏，北京中科科美的FJ一2型氟油检漏仪进行粗检漏，来判断密封性是否达到气密性要求。通过江南光电厂的JS28型显微镜(最大放大倍数为300)观察焊缝，主要检查密封泄漏处是否存在焊接裂纹。

3. 试验结果及分析

3．1激光输出功率和脉冲波形对焊接裂纹产生的影响

从抑制焊接裂纹的角度出发，应该降低激光输出功率，减小焊接接头的热输入，因为焊缝熔池过热容易促使热裂纹的形成。原来试验的激光输出功率为100W左右，适当降低功率到82W。另外改变激光焊接脉冲波形，由原矩形波改成组合波形，其示意图如图3所示。

组合波形由三段组成：预热段、焊接段和退火段，相比矩形波快速升温和快速降温的加热方式，组合波形可降低焊接热应力的产生，有利于抑制焊接裂纹的产生。分组对比试制了4O个工件(壳体围框和盖板没有镀涂)，试验结果见表2。从表中可以看出，减小激光输出功率和采用组合脉冲波形能有利于降低4J42合金大型复杂多芯片组件激光焊接裂纹的产生概率，密封成品率得到明显改善。裂纹情况如图4所示。

3．2壳体镀涂对焊接裂纹产生的影响

壳体围框和盖板采用了两种镀涂方案：第一种为先化学镀镍后电镀金；第二种为先电镀镍后电镀金，对比试验了这两种镀涂方案对焊接裂纹产生的影响。结果发现，采用先化学镀镍(其中含磷的质量百分比为1％～15％)的方案比采用先电镀镍的方案的激光焊接裂纹产生的倾向要大很多。表3为化学镀镍和电镀镍的试验件的激光封焊对比工艺试验结果(激光输出功率为82w，采用组合激光脉冲波形)。从表中可以看出，化学镀镍的试验件基本都出现了激光焊接裂纹，裂纹情况如图5所示；而采用先电镀镍后电镀金以及激光工艺参数优化过的试验件没有产生激光焊接裂纹。分析原因为：焊接过程中，磷与4J42合金中的铁和镍形成硬而脆的低熔点共晶磷化铁和磷化镍，分布于晶界上，削弱了晶粒间的结合力，焊缝金属冷却凝固过程中易形成焊接裂纹。因此，4J42合金壳体围框和盖板采用先电镀镍后电镀金的镀涂方案。

4结论

采用Nd：YAG脉冲激光焊进行4J42合金大型复杂多芯片组件密封封盖时，通过降低激光输出功率，采用组合脉冲波形和电镀的方法能有效控制激光焊接裂纹的产生，组件密封成品率得到很大提高。