红外探测器用蓝宝石滤光片焊接工艺研究

李艳红，刘 森

(华北光电技术研究所，北京 100015)

红外探测器用蓝宝石滤光片焊接工艺研究

李艳红，刘 森

(华北光电技术研究所，北京 100015)

针对某型号探测器组件上用的Al2O3蓝宝石滤光片与可伐冷头钎焊的成品率低、后期失效问题突出等问题展开研究，找到了影响滤光片焊接成品率的几个关键因素，并针对这些因素提出解决方案，并通过一系列环境试验验证其可靠性，大幅提升了宝石窗口密封焊接工艺成品率。

蓝宝石;滤光片;可伐;焊接

1 前 言

目前，国内生产的中波红外InSb焦平面探测器所使用的滤光片基材，主要有Al2O3蓝宝石、Ge片和Si片。Ge片和Si片在镀完膜后的透过率可以达到95%以上，Al2O3蓝宝石在镀完膜后透过率能达到90%。同Ge片和Si片相比，虽然Al2O3蓝宝石在透过率方面，稍显不足，但是，其莫氏硬度达到9，机械性能远优于Ge片和Si片，故该材料集中用于对可靠性要求极高的空空制导组件。因此Al2O3蓝宝石滤光片的焊接问题也成为一个很重要的研究课题。

Al2O3蓝宝石与可伐冷头之间的焊接方法主要分为两大类:间接钎焊法和直接钎焊法。

间接钎焊法主要包括20世纪30年代发展起来的烧结金属粉末法(简称Mo-Mn法)和PVD技术沉积金属层、热喷涂法、CVD法等新出现的金属化方法［1］。间接钎焊法的钎焊温度可以灵活的掌握，既可以用高温钎料钎焊，也可以用低温软钎料钎焊。

直接钎焊法主要包括活性金属钎料直接钎焊法和氧化物钎料直接钎焊法［1］，直接钎焊法的钎焊温度一般都在700℃以上。

本文中的滤光片所镀的光学膜，由于膜系设计所限，仅能承受最高350℃高温，所以只能选用间接钎焊法。

目前，国内用的蓝宝石滤光片一次性焊接成品率不是很高，而滤光片的成本很高，不能达到生产要求。同样的，低成品率也会带来相应的低可靠性。针对此问题展开研究，希望提高其一次性焊接成品率和可靠性。

2 试验材料和工艺

2.1 试验材料

试验用结构件为某型号探测器，其真空结构如图1所示，焊接位置为可伐4J33材料(表面镀镍)。为了提高焊缝表面的浸润性，必须对做完金属化的宝石片表面进行处理，实验所选用的方法是镀金处理和AgCu28焊料皮烧结处理。

图1 试验用结构件示意图

试验用的滤光片分为几种，如表1所示。

表1 滤光片分类

试验所选用的焊料为PbSn63共晶焊料，熔化温度183℃，远低于350℃，材质较软，缓冲温度冲击应力。助焊剂选用松香助焊剂。

2.2 试验工艺

首先在结构零件焊接面和滤光片的金属化区域都预镀一层PbSn63共晶焊料，然后将结构零件和滤光片装配好，装入充气焊接系统，焊接温度设定为(220±10)℃，保温时间(50±3)s，进行焊接(每种滤光片焊10片，总计焊接40片)。

3 试验结果

完成焊接试验后，对焊接完成的结构件进行检漏操作，结果表2所示。

表2 检漏结果(滤光片序号为表1中的编号)

检漏操作完成后，对检漏合格的零件进行77～333K的高低温冲击试验(由于条件所限，只能用液氮和普通烘箱作为环境条件，将实验件置入60℃烘箱中，放置10 min，然后取出，直接放入液氮中，放置10 min，然后再置入烘箱中，作为一个cyc)，每次冲击完成后，都对其进行检漏操作，其结果如表3所示。

表3 冲击试验结果(滤光片序号为表1中的编号)

4 试验结果分析

对比以上实验结果，可知:

(1)没有镀膜的Al2O3宝石片焊接成品率明显要比经过镀膜处理的Al2O3宝石片的焊接成品率高。因此，镀膜工艺是影响宝石片焊接成品率和可靠性的一个重要影响因素。

(2)金属化区域做镀金处理的Al2O3宝石片在焊接后，经过温度冲击后，随着冲击次数的增加成品率明显会降低。因此，镀金工艺是影响宝石片焊接成品率和可靠性的一个重要影响因素。

4.1 镀膜工艺对金属化区域污染

针对Al2O3宝石片的镀膜工艺展开调查，发现一个明显的工艺缺陷。目前国内的滤光片镀膜工艺都是采用热蒸发的方式在洁净的Al2O3宝石片表面蒸镀一种SiO和Ge的混合膜系，整个工艺过程长达8h，尽管在整个工艺过程中有工装来遮挡，但是在长时间的镀膜过程中，金属化区域必然会被镀膜所产生的SiO和Ge蒸汽所污染。在X－Ray下检测焊缝区的气孔率如图2所示。

焊缝中存在大量的气孔，是由于SiO和Ge附着在金属化区域表面，导致PbSn63焊料无法浸润金属化区域部分位置。

将金属化区域做清洁处理，然后再进行焊接，得到的焊缝状态就要明显好很多，如图3所示。

图2 金属化区域未作清洁处理的焊缝状态

图3 金属化区域做清洁处理的焊缝表面

通过以上分析可知，镀膜工艺对Al2O3的影响很大，在镀膜过程中必须要对金属化区域进行严格的保护，否则会导致焊缝区域出现大量的气孔和夹渣等缺陷，如果污染严重的话对于整体结构的可靠性和气密性都有很大影响。因此镀膜工艺对金属化区域的污染是影响宝石片焊接成品率和可靠性的一个重要因素。

4.2 金锡化合物的影响

Au元素具有良好的抗腐蚀性，能够阻止焊料氧化引起的焊接可靠性问题，同时，Au元素能够迅速溶解于液态Sn基焊料中，极大地改善其浸润性，从而使AuSn合金具有高可靠性、高强度等优点，以及优良的抗腐蚀、抗疲劳特性。其在气密性封装、射频和微波封装、发光二极管、引线绝缘子焊接，以及倒装芯片、激光二极管、3－D芯片级封装等方面得到广泛的应用［2－3］。

虽然Au元素有上述应用，但是，液态SnPb钎料同镀Au金属化区域界面反应的初始生成相是针状AuSn4金属间化合物，它的形成是由Au原子向液态钎料的溶解控制的;如果Au的供应充足，那么随着重熔时间的增加，AuSn4的形态由针状演变为层状，且在AuSn4/Au界面形成AuSn2［4］。Au－Sn化合物的维氏硬度高达750，仅次于玻璃。从晶体结构和实测性能数据可以看出，Au－Sn化合物的硬脆性较高，合金焊缝的承载能力非常有限［5－6］。

目前，国内外对于电装工艺镀金表面处理规范已经很成熟，可以作为镀金零部件焊接的参考。经常使用到的国内外的军工行业标准有关镀金表面去金的要求如表4所示。

表4 标准中对工艺的要求

虽然试验所选用的镀金层的厚度为0.5μm，控制在业界共知的1.27μm以内，没有足够的Au元素向焊料中扩散而产生脆性。但是，有研究表明，在150℃老化后，钎料内部的细小的针状AuSn4逐渐分解，通过固态扩散Au原子重新返回钎料和金属化区域表面的界面处，在Ni3Sn4上方与Ni和Sn发生反应形成(Au0.5Ni0.5)Sn4，它的增长是由扩散控制的。老化之后重新形成的Au-Sn化合物同Ni3Sn4之间的界面，强度很低，很容易萌发裂纹［7］。

因此可以判断，在经过77～333K的高低温冲击试验后，焊缝区域出现了微裂纹。随着高低温冲击次数的增多，这些微裂纹会逐步增长，最终成长为影响整个结构气密性的裂纹。

5 焊接工艺优化及结果

根据以上分析，对Al2O3蓝宝石滤光片的焊接工艺做出优化:

(1)对镀膜工艺进行控制，在镀膜时，对金属化区域进行保护。

(2)对镀金区域进行搪锡处理。(用吸锡枪将表面的焊料处理干净)

进行上述处理的试验件总计做了30件，焊接完成后，先对其进行150℃老化处理(烘烤840h)，然后对其进行检漏操作，30件零件均未出现气密性失效。然后对这些样品进行77～333K的高低温冲击试验(每5cyc进行一次检漏操作)，在经过50cyc后，这些样品均未出现气密性失效。

6 结论

(1)Al2O3蓝宝石滤光片在制备光学膜的过程中会对金属化区域造成污染，进而影响到其焊接性，因此在镀膜工艺中，必须要对金属化区域做严格的保护，防止出现气孔，夹渣等缺陷。

(2)工作在低温下的Al2O3蓝宝石滤光片金属化区域的镀金层，必须经过去金处理(搪锡处理)，否则在高低温冲击后萌发裂纹，最终导致气密性失效。

以上两点是蓝宝石滤光片焊接工艺过程中影响焊接成品率和可靠性的两个重点，必须严加控制。

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Research on the soldering of sapphire optical filter used in infrared detector

LIYan-hong，LIU Sen
(North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China)

To solve the problem of the low yield and the later failure of the soldering of Al2O3 sapphire optical filter and Kovar alloy，several influencing factors of the low field of the Al2O3 sapphire optical filter are analyzed and studied.Aiming at these influencing factors，the solutions are proposed and its reliability has been verified through the experiments.

sapphire;optical filter;Kovar;soldering

TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 8

1001-5078(2014)04-0387-04

李艳红(1979－)，女，工程师，主要从事红外焦平面探测器结构设计、工艺设计及可靠性技术研究。

2013-07-22