金锡烧结为什么会有密封空洞？从气体排出到界面润湿说清楚

金锡烧结为什么会有密封空洞？从气体排出到界面润湿说清楚

金锡熔封、金锡封盖或叫金锡密封里常见的一个问题就是密封空洞。很多现场一看到空洞，就会先怀疑温度不够、保温时间不够，或者峰值温度设置不合理。

图1 金锡封盖示意图

但空洞通常不是单一温度问题。它往往是材料、气氛、表面状态、镀层质量、压力和升温曲线共同作用的结果。尤其在气密封装、光器件、功率器件和高可靠封装中，空洞不仅影响外观或导热，还可能直接影响密封性和长期可靠性。

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AuSn 共晶/烧结过程中到底发生了什么？

AuSn常见共晶成分接近Au80Sn20，共晶温度约280℃。实际工艺中，AuSn 焊料在加热过程中会软化、熔融或发生界面反应，并尝试润湿上下界面。

一个稳定的 AuSn 接合过程，至少要满足两个条件：

第一，界面能被充分润湿。也就是说，焊料能够铺展并与金属镀层形成连续结合，而不是局部缩球、局部悬空或局部未反应。

第二，挥发物和夹带气体能够及时排出。焊料、镀层、基底表面、夹具、环境气氛中残留的水汽、有机物、氧化物或污染物，在升温过程中可能释放气体。如果这些气体在焊料铺展和固化前没有排出去，就可能形成空洞。

所以，密封空洞本质上不是“温度高低”单独决定的，而是润湿、排气和界面反应之间的时间窗口是否匹配。

关键因素一：表面清洁

表面清洁度是影响 AuSn 润湿的第一类因素。

如果盖板、基座、芯片、陶瓷、金属环或镀层表面存在氧化、颗粒、油污、有机残留、水汽吸附，就会阻碍焊料铺展。局部润湿不良的位置，容易形成封闭空腔或连通孔洞。

常见来源包括：

- 前道清洗不充分

- 存储时间过长

- 暴露环境湿度偏高

- 手工取放或夹具带入污染

- 镀层表面氧化或有机残留

现场排查时，不要只看焊料本身，也要同步检查待焊表面、夹具接触区域和存储条件。

关键因素二：镀层质量

AuSn 对界面金属层比较敏感。镀层厚度、粗糙度、致密性、氧化状态和扩散阻挡层都会影响润湿和界面反应。

例如，金层过薄、镍层氧化、镀层孔隙、局部污染或粗糙度异常，都可能导致焊料在局部区域无法连续铺展。

镀层异常常见表现包括：

- 局部未润湿

- 焊料边界不连续

- 剪切后界面残留不均

- 截面中出现界面孔洞

- 气密测试结果波动

这类问题如果只靠提高温度或延长时间，可能短期有所改善，但也可能引入过度反应、脆性金属间化合物增加或镀层消耗过快的问题。

关键因素三：升温曲线

升温曲线决定气体什么时候释放、焊料什么时候开始润湿、界面什么时候被封住。

如果升温太快，水汽和有机物还没充分排出，焊料已经开始铺展并封闭气体通道，空洞就容易被困在界面内部。

如果保温段设计不合理，低温排气不足，高温段又过快进入共晶反应，也会增加密封空洞风险。

更合理的思路是让挥发物先有时间排出，再进入稳定润湿和共晶反应阶段。具体曲线要根据焊料形态、封装结构、腔体体积、气氛和设备能力验证，而不是简单照搬标准曲线。

关键因素四：压力

压力可以改善接触状态，帮助焊料铺展，也能减少局部间隙。但压力不是越大越好。

压力不足时，焊料与界面接触不充分，局部区域可能无法润湿。压力过大时，焊料可能被挤出密封环，造成焊料不足、边缘不连续或厚度不均。对于一些薄盖板、陶瓷基座或 MEMS/光器件结构，过高压力还可能带来变形和应力风险。

排查时要看压力实际传递是否均匀，而不是只看设备设定值。夹具平整度、产品共面性、密封环高度差都会影响真实接触状态。

关键因素五：气氛

AuSn 工艺常见气氛包括氮气、成形气、真空或局部还原气氛。气氛的作用不只是防氧化，还会影响挥发物排出和界面活化。

如果气氛含氧或含水偏高，界面氧化会加重，润湿性变差。如果抽真空或气体置换不充分，残留气体也可能被困在密封区域内。

图2 金锡焊料在不同氧含量下的铺展形貌

图3 随着焊料中氧含量增加，金锡焊料在铜板上铺展面积的变化

需要重点关注：

- 氧含量和露点

- 真空度与抽气时间

- 气体置换效率

- 炉腔洁净度

- 夹具和载具放气情况

对于气密封装，气氛控制和排气路径设计往往和温度曲线一样重要。

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常见失效

密封性不足

表现为气密测试不稳定或泄漏率超标。可能来自焊料环不连续、空洞连通、局部未润湿或界面裂纹。

局部未润湿

常见于表面污染、镀层异常、氧化、压力不足或温度曲线不匹配。显微观察中可能看到焊料缩聚、边界不连续或局部空白区域。

孔洞连通

如果空洞彼此连接，或者连接到密封环边缘，就会直接破坏气密性。单个孤立小孔洞未必一定导致泄漏，但连通孔洞风险更高。

图4 盖板密封空洞及拒收判据

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判断方法

第一，看 X-ray。X-ray 可以快速判断空洞数量、面积、位置和是否集中在某一区域。但 X-ray 不能完全判断界面是否真正润湿，也不能区分所有污染来源。

第二，看截面。截面能确认空洞位置是在焊料内部、界面处，还是镀层附近，也能观察润湿边界和界面反应层。

图5 磨抛观看焊接界面情况

第三，做气密测试。对于密封类产品，最终还是要看细检漏、粗检漏或氦检漏结果。空洞面积不一定和泄漏率线性对应，连通路径才是关键。

第四，做界面分析。必要时用 SEM/EDS、XPS、Auger 或离子污染分析确认氧化、污染、镀层元素异常和界面反应情况。

总结

金锡烧结出现密封空洞，不要只把问题归结为温度不够。AuSn 接合质量取决于表面清洁、镀层质量、升温曲线、压力和气氛的共同匹配。

如果挥发物没有及时排出，或者界面没有充分润湿，就容易形成空洞、局部未润湿和孔洞连通，最终影响密封性和可靠性。

排查时建议从 X-ray 看空洞分布，用截面确认位置，用气密测试判断功能影响，再结合界面分析追溯污染、氧化或镀层问题。

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来源于学习那些事，作者学习那些事