1引言

　　多次陶瓷外殼以其優良的性能被廣泛應應用于航天、航空、軍事電子裝備及民用投資類電子產品的集成電路和電子元器件的封裝，常用的陶瓷外殼有集成電路陶瓷外殼，如D型（DIP）、F型（FP）、G型（PGA）、Q型（QFP）、C型（LCC）、BGA型等；混合集成電路陶瓷外殼，光電器件陶瓷外殼，微波器件陶瓷外殼，聲表面波器件陶瓷外殼，晶體振蕩器陶瓷外殼，固體繼電器陶瓷外殼及各種傳感器（如霍爾傳感器）用陶瓷外殼等等。

　　多層陶瓷外殼采用多層陶瓷金屬化共燒工藝進行生產。多層陶瓷外殼分為高溫共燒陶瓷外殼（HTCC）和低溫共燒陶瓷外殼（LTCC）兩類。本文僅對高溫共燒陶瓷外殼（HTCC）進行討論。

　　多層陶瓷外殼由于其體積小、導熱性好、密封性好、機械強度高、引起封裝可靠性高而得到廣泛應用，但是，使用中仍然會出現失效。本文就多層陶瓷外殼的失效模式、失效機理和可靠性設計進行探討。

　　2多層陶瓷外殼的失效模式

　　多層陶瓷外殼在生產和使用中出現的失效模式通常有以下幾種：

　　（1）在機械試驗中出現陶瓷底座斷裂失效；

　　（2）在使用中出現絕緣電阻小于標準規定值，出現失效；

　　（3）在使用中外殼出現斷、短路失效；

　　（4）在使用中出現外殼外引線脫落、或無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效；

　　（5）使用中出現電鍍層銹蝕失效；

　　（6）使用中出現密封失效；

　　（7）鍵合和芯片剪切失效；

　　（8）使用不當造成失效。

　　3多層陶瓷外殼的失效機理分析

　　3.1陶瓷底座的斷裂失效

　　其主要失效機理如下：

　　（1）由于所采用的陶瓷材料的抗彎強度不足；

　　（2）在生產過程中偏離了規定的工藝參數；例如：層壓中未將各層生陶瓷片壓成一個整體，降低了陶瓷底座的機械強度，在燒結過程中，由于燒結溫度過高或過低而造成陶瓷底座過燒和生燒，從而降低了陶瓷底座的機械強度所致；

　　（3）由于結構設計錯誤，在設計外殼底座的底板時，底板取值太小，使底板過薄。因此，產品在機械試驗時，造成外殼芯腔部應力集中，從而出現外殼底座斷裂失效。

　　3.2絕緣電阻失效

　　其主要失效機理如下：

　　（1）所采用的陶瓷材料的體積電阻率和絕緣強度不夠，使產品的絕緣電阻達不到標準規定的要求；

　　（2）印刷生產過程中，偏離了規定的工藝參數，例如金屬漿的黏度不符合規定或印刷機的工藝參數不對，使印刷線條之間發生短路或接近短路，導致絕緣電阻失效；

　　（3）在印刷生產過程中，由于操作者不注意工藝衛生，造成印刷線條之間發生短路或接近短路，導致絕緣電阻失效；

　　（4）在電鍍后的清洗過程中，由于未充分清洗干凈，殘留的鍍液電介質導致絕緣電阻值下降，導致絕緣電阻失效。

　　3.3斷、短路失效

　　其主要失效機理如下：

　　3.3.1有引線外殼的斷、短路失效

　　（1）層間互連失效造成了外殼的斷路失效，例如：互連孔金屬化填料不足，層壓時工藝參數不符合規定，形成分層現象，造成上下層之間不能連接，造成層間互連斷路失效；

　　（2）印刷金屬化線路時，線間短路，引起了外殼短路失效。例如：金屬漿的黏度不符合規定或印刷機的工藝參數不對；操作者不注意工藝衛生，造成印刷線條之間發生短路，從而引起了外殼短路失效。

　　3.3.2無引線外殼的斷、短路失效

　　（1）在平面印刷時，印刷線路與引出端通孔連接斷路；引出端通孔孔壁金屬化時，引出端通孔內壁掛漿不連續；在印刷底面引出端焊盤時，焊盤未與引出端通孔的金屬漿連接，在層壓時，由于層壓工藝參數控制不當，使引出端通孔內分層使引出端通孔金屬化產生斷裂，因而造成了外殼的短路失效。

　　（2）印刷金屬化線路時，線間短路，引起了外殼短路失效。

　　3.4外引線脫落失效或無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效

　　其主要失效機理如下：

　　3.4.1有引線外殼的外引線脫落失效

　　（1）釬焊引線的金屬化焊盤的金屬化強度不夠，而造成這一問題的原因：一是金屬化配方本身的金屬化強度低，二是金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強度低，三是外殼陶瓷底座在燒結時溫度過高或過低造成金屬化強度低；

　　（2）陶瓷底座在釬焊前進行化學鍍鎳時，鍍鎳層偏薄，使焊料與金屬化焊盤的浸潤性差，導致引線的抗拉強度差；

　　（3）釬焊工藝不符合要求，造成這一問題的原因：一是釬焊裝配模具不符合要求使引線的裝配偏離焊盤或未與焊盤接觸到位，二是釬焊溫度過高造成焊料流失或溫度過低焊料熔融不夠，這些問題均會造成外引線的抗拉強度差；

　　（4）釬焊引線的焊料量不足，造成引線不能與焊盤完全釬焊好，降低了外引線的抗拉強度。

　　3.4.2無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效

　　（1）引出端金屬化焊盤的金屬化強度不夠，而造成這一問題的原因：一是金屬化配方本身的金屬化強度低，二是金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強度低，三是外殼陶瓷底座在燒結時溫度過高或過低造成金屬化強度低；

　　（2）在電鍍中，由于鍍金和鍍鎳層偏薄，使用戶在釬焊時，金和鎳很快與焊料熔為合金，導致焊料與金屬化焊盤的浸潤性差，從而使焊盤與外電路連接失效。

　　3.5電鍍層銹蝕失效

　　其主要失效機理如下：

　　（1）電鍍配方選擇不當或所用化學藥品質量差，使鍍液的雜質含量高，造成鍍層內的雜質含量高，鍍層的孔隙率高，抗腐蝕能力差；

　　（2）電鍍工藝或工藝控制不當，造成度層孔隙率高或鍍層的均勻性差，造成電鍍層失效；

　　（3）電鍍用純水質量差，造成鍍液中雜質含量高或清洗不干凈，使電鍍層質量及表面質量差，造成了電鍍層失效；

　　（4）鍍層厚度設計不合理，使鍍鎳層和鍍金層的抗腐蝕能力差、可焊性差、可鍵合性不好，造成電鍍層失效。

　　3.6密封性失效

　　其主要失效機理如下：

　　（1）布線印刷時，金屬漿厚度太厚，層壓時金屬漿兩邊不能壓密實，內引線兩邊漏氣，造成密封失效；

　　（2）層壓前印刷好的生陶瓷片太干，使正常的層壓工藝不能將產品壓成一個密實的整體，層間漏氣，從而造成密封失效；

　　（3）層壓工藝參數控制不當，使產品不能壓成一個密實的整體，形成層間漏氣，從而造成密封失效；

　　（4）由于封接環表面平整度差，在采用焊料封蓋時焊料不足以填滿焊縫造成漏氣，電鍍質量差，焊料與封接環浸潤性差造成漏氣；

　　（5）平行縫焊用蓋板采用的材料厚度不當，退火工藝控制不好、電鍍工藝控制不當，從而造成用戶平封時，采用正常的平封工藝封蓋時發生密封失效。

　　3.7鍵合和芯片剪切失效

　　其主要失效機理如下：

　　（1）由于金屬化強度低，在鍵合時，金屬化層受到破壞，導致鍵合點剝離失效；其次，由于內引線和腔底的金屬化表面平整度差，導致鍵合和芯片粘結強度差，引起失效；

　　（2）由于外殼在電鍍時，鍍層厚度偏薄或鍍層的均勻性差，使鍵合強度和芯片粘結強度差，造成鍵合和芯片剪切失效；

　　（3）由于用戶在使用中，鍵合工藝參數不當，造成鍵合失效；在芯片粘結時，焊料選用不當或粘結工藝參數不當造成芯片粘結強度差，造成失效。

　　3.8使用不當造成失效

　　其主要是機理為：用戶使用過中，由于對外殼的性能及使用要求了解不夠，在儲存、使用過程中工藝控制不當，在檢測、實驗過程中方法不當，對外殼造成破壞性失效，例如，在使用過程中，直接用手接觸外殼，手上的油污沾染在外殼上，從而造成絕緣電阻、鍍層等失效，在試驗過程中，由于使用的夾具不當，造成外殼機械強度失效等等。

　　4多層陶瓷外殼的可靠性設計

　　4.1機械強度設計

　　為了確保陶瓷外殼通過相關規定的機械試驗，如恒定加速度、機械沖擊、掃頻振動等試驗項目，不發生陶瓷底座斷裂失效，在外殼的陶瓷材料、生產工藝和結構設計上采取以下措施：

　　（1）為了避免由于采用的陶瓷材料的抗彎強度不夠而產生陶瓷底座斷裂失效，在研制的和生產陶瓷外殼所采用的陶瓷材料配方時，應采用抗彎強度高的陶瓷材料配方來研制和生產陶瓷外殼。

　　（2）為了避免工藝過程中，由于偏離工藝參數而造成降低陶瓷底座的機械強度，應嚴格規定各工藝過程中的各項參數，特別是層壓和燒結工序的各項工藝參數，要求各工序在生產過程中嚴格遵守工藝紀律和操作規程，并對生產出來的在制品和半成品進行檢驗和試驗，不得出現分層或“吸紅”現象，從而確保陶瓷底座的機械強度滿足規定要求。

　　（3）為了確保外殼的機械強度，在結構設計上應適當加厚底層瓷片厚度，以加強陶瓷外殼底座的機械強度。

　　4.2絕緣電阻設計

　　為了確保多層陶瓷外殼的絕緣，絕緣電阻要求≥2×1010Ω，避免外殼的絕緣電阻失效，在陶瓷外殼采用的陶瓷材料、生產工藝和工藝衛生上采取以下措施：

　　（1）采用體積電阻率和絕緣強度高的陶瓷配方；

　　（2）在印刷生產過程中，嚴格金屬漿的配置工藝，使金屬漿的黏度在規定的范圍內；嚴格印刷操作參數的設定，嚴格操作規程，確保印刷線條符合要求；

　　（3）嚴格工藝衛生，使印刷好的產品不出現線間短路的現象，加強工序檢驗，剔除不合格品；

　　（4）在產品電鍍完成后，應充分清洗、使殘留的鍍液降低到最少，確保產品的絕緣電阻符合產品標準規定的要求。

　　4.3外殼通斷的可靠性設計

　　為了確保外殼的電連接符合設計要求，在生產過程中應采取以下措施：

　　4.3.1有引線外殼的斷、短路可靠性設計

　　（1）嚴格控制小孔填料漿的黏度及小孔填料的工藝參數，使每個小孔均填充滿金屬漿，確保互連孔連接的有效性；

　　（2）嚴格層壓工序的各項工藝參數，要求在生產過程中嚴格遵守工藝紀律和操作規程，確保通過層壓使各層生陶瓷片壓成一個整體，使互連孔連接有效；

　　（3）嚴格工藝衛生，防止由于金屬漿污染引起的短路；

　　（4）加強印刷后的工序檢驗，剔除小孔填料不足、線間短路和層壓分層等不合格品。

　　4.3.2無引線外殼的斷、短路可靠性設計

　　（1）嚴格控制引出端通孔孔壁金屬化漿料的黏度及引出端通孔孔壁金屬化的工藝參數，使每個引出端通孔孔壁均勻地掛滿金屬漿，確保每個引出端通孔孔壁金屬化的連續性；

　　（2）嚴格層壓工序的各項工藝參數，要求在生產過程中嚴格遵守工藝紀律和操作規程，確保通過層壓使各層生陶瓷片壓成一個整體，使引入端通孔孔壁金屬化連接有效；

　　（3）嚴格工藝衛生，防止由于金屬漿污染引起的短路；

　　（4）加強印刷后的工序檢驗，剔除內引線印刷線路和焊盤印刷與引出端通孔連接斷路、引出端通孔內壁掛漿不連續、線間短路和層壓分層等不合格品。

　　4.4有引線外殼外引線的抗拉強度和無引線外殼的引出端焊盤可靠性設計

　　為了保證外殼外引線的抗拉強度及無引線外殼引出端焊盤的可焊性要求，在生產過程中應采取以下措施；

　　4.4.1有引線外殼外引線抗拉強度可靠性設計

　　（1）選用金屬化強度高的金屬化漿料配方作為釬焊引線的金屬化焊盤的金屬化配方；嚴格控制印刷工藝，確保金屬化層的厚度符合要求，嚴格控制陶瓷底座的燒結工藝，確保燒結溫度等在規定的范圍內，使金屬化強度符合要求；

　　（2）嚴格控制陶瓷底座的化學鍍鎳工藝，確保化學鍍鎳層符合要求；

　　（3）嚴格檢查外殼的釬焊裝配模具，確保裝配模具符合要求，裝配時應保證陶瓷底座焊盤與外引線一一對應，不產生嚴重偏位，嚴格控制釬焊工藝，確保釬焊溫度等參數在規定的范圍內；

　　（4）嚴格控制焊料量，確保引線釬焊符合要求。

　　4.4.2無引線外殼的引出端焊盤可靠性設計

　　（1）選用金屬化強度高的金屬化漿料配方作為金屬化焊盤的金屬化配方；嚴格控制印刷工藝，確保金屬化層的厚度符合要求；嚴格控制陶瓷底座的燒結工藝，確保燒結溫度等參數在規定的范圍內；使金屬化強度符合要求；

　　（2）嚴格控制陶瓷底座的電鍍工藝，確保鍍層厚度符合要求；

　　4.5電鍍層的可靠性設計

　　為了保證電鍍層的可靠性，確保鍍層通過相關規定的鍍金質量考核，在外殼電鍍過程中應采取以下措施：

　　（1）采用無應力鍍鎳配方和純金電鍍金配方；要求鍍層的孔隙率低、鍍層的硬度低、抗腐蝕能力好、可焊性好、可鍵合性好；

　　（2）采用合理的電鍍工藝流程，確保外殼電鍍后鍍液的殘余量盡可能小；

　　（3）優化鍍層的厚度設計，用最經濟的鍍層厚度，確保通過各項檢驗和試驗的考核，特別是鹽霧試驗的考核；

　　（4）電鍍用純水的電阻率應盡可能高，一般應大于8MΩ·cm，以確保純水中的雜質離子盡可能少；

　　（5）為了解決鍍層起泡問題，在前處理過程中，應有效地去除待鍍表面的雜質沾污，特別是待鍍表面的碳微粒沾污，減少鍍層的起泡。

　　4.6密封性可靠性設計

　　為了確保外殼的漏率≤1×10-3Pa·cm3·s-1，在生產過程中應采取以下措施：

　　（1）嚴格控制印刷絲網的厚度和漿料的黏度，確保印刷的漿料厚度規定的范圍內；

　　（2）嚴格控制工場的溫、濕度，確保生陶瓷片在層壓前的柔軟性，使產品在層壓時能壓成一個密實的整體；

　　（3）嚴格控制層壓的工藝參數，確保產品在層壓時能壓成一個密實的整體；

　　（4）嚴格控制金屬漿料質量和印刷工藝，確保印刷平整度；焊有封接環的外殼，在封接環磨平加工時應確保封接環的平整度；

　　（5）嚴格控制電鍍工藝，加強鍍層厚度控制，確保鍍層厚度及均勻性，以保證鍍層質量；

　　（6）確保平行縫焊用蓋板的選材正確，嚴格控制其制造工藝，保證封蓋合格率。

　　4.7鍵合和芯片剪切可靠性設計

　　為了保證外殼的鍵合和芯片剪切通過考核，在生產中應采取以下措施：

　　（1）選擇金屬化強度高的金屬漿配方，并嚴格控制印刷工藝，確保金屬化強度和金屬漿表面的平整度；

　　（2）嚴格控制電鍍工藝和鍍層厚度，確保鍍層均勻性和厚度符合要求；

　　（3）向用戶提供陶瓷外殼使用說明書，使用戶了解外殼的使用要求，防止外殼使用不當問題的出現；

　　4.8使用可靠性設計

　　為了保證用戶在外殼使用中不出現失效，用戶在訂購外殼前應充分了解各種外殼的存儲、封裝使用、檢測、試驗的要求，向外殼生產單位索取外殼的使用說明書；在外殼進廠后，嚴格按照要求使用外殼，防止在外殼的存儲、封裝使用、檢測、試驗過程中，對外殼造成破壞性失效。

　　5結論

　　多層陶瓷外殼的主要失效模式有以下幾種：陶瓷底座斷裂失效，絕緣電阻失效，斷、短路失效，外引線脫落失效，電鍍層銹蝕失效，密封失效，鍵合和芯片剪切失效和使用不當失效，對這些失效模式進行失效分析的結果，使我們明確了根據其失效機理，并應在外殼的制造和使用過程中采取措施，防止多層陶瓷外殼失效的發生。

　　以上是我廠三十多年來，在多次陶瓷外殼科研、生產和用戶使用過程的實踐中，積累起來的對于陶瓷外殼的失效模式、失效機理和可靠性設計的一點看法；我國在陶瓷外殼的研制、生產和使用中，尚未對陶瓷外殼的失效及可靠性進行過系統的研究和分析；本文是對陶瓷外殼的失效及可靠性進行系統分析和嘗試，以期拋磚引玉，希望通過本文引起對多層陶瓷外殼可靠性的關注，以提高我國多層陶瓷外殼的質量和可靠性。