4J42 合金是Fe-Ni系定膨胀合金， 其热膨胀系数（CTE） 与硬玻璃、 软玻璃、 陶瓷匹配， 能够用玻璃-金属封接工艺形成气密封装外壳； 与常用的Al 2 O 3 、 BeO、 LTCC、AlN等电路基板的CTE较为接近； 磁性能和电性能优良； 机加工、 镀涂和焊接性能好；与 4J29 合金相比， 不含价格更高的Co贵金属， 具有较好的成本优势， 所以成为微电子产品金属封装外壳的常用材料之一。 金属封
装常用的密封方法有： 热板或链式炉软钎焊、 平行缝焊、 储能焊和脉冲激光焊。 与其它密封方法比较， 脉冲激光焊工艺具有能量密度高、 热影响区小、 无机械接触应力、 易于开盖返修、 能够焊接厚度尺寸（可达 1mm以上） 较大的盖板等优点。 本文选用Nd: YAG脉冲激光焊的密封方法对 4J42 合金外壳进行了密封焊接试验， 研究了激光输出功率、焊接速度、试件表面处理状态等工艺因数对外壳密封性的影响， 成功实现了4J42合金外壳的气密封装。

试验材料
试验外壳和盖板所用的 4J42合金的CTE为 4～6（10-6 / o C） ， 软态下的抗拉强度为570N/mm2 其化学成分见表 1。

试验方法
密封焊接接头采用搭接方式， 示意图见图 1。盖板搭接的厚度为 0. 5mm， 凸台式结构， 总厚度 1mm， 示意图见图 2； 外壳壁厚 1mm， 外形尺寸为 14mm×28mm。 焊接设备为 HL506P型 Nd: YAG脉冲激光焊机。 通过 JS28 型显微镜（最大放大倍数为 300） 观察焊缝， 判断焊缝成型是否美观， 是否存在气孔和裂纹等焊接欠缺； 依据 GJB548A-96 方法 1014A 密封试验程序， 使用HELIOT700 型氦质谱检漏仪进行细检漏，FJ-2 型氟油检漏仪进行粗检漏， 来判断密封性是否达标； 制备金相试样， 分析焊缝断面。

激光输出功率对密封性的影响
选用的激光焦斑尺寸为0. 3mm，离焦量为-0.5mm，光斑中心线与盖板四周重合，焊接速度为350mm/min。 图3是激光输出功率P为35w时试件的焊缝剖面图，图4为P为100w 时试件的焊缝剖面图。从图中可以看出，当 P 较小时，不能提供足够的焊接热量，盖板和外壳就不能相互熔合形成密封接头； 当 P 达到一
定值时， 盖板和外壳的金属就能相互熔合，形成很好的密封焊缝。 因此， 要实现 4J42合金外壳的气密封装， 激光输出功率必须足够大， 使得单个脉冲形成的焊点具有一定的熔深， 即保证外壳金属得到熔化参与焊缝熔池的形成。 当 P 达到 160w 时， 却产生了较大的飞溅， 分析是激光输出功率过大， 引起焊缝熔池金属大量蒸发汽化， 强大的蒸汽压力造成熔池金属飞溅。 微电子产品的封装要求外观质量美观， 应适当调节激光参数到合适的工艺窗口， 避免飞溅的产生。

焊接速度对密封性的影响
设置激光输出功率为 100w，激光焦斑尺寸为0. 3mm，离焦量为-0. 5mm，改变焊接速度进行分组焊接试验， 检测氦泄漏率， 并统计密封成品率， 每组样品 15 件， 试验结果见表2。

从表2中可以看出焊接速度对气密封装成品率有较大影响， 当保持激光输出功率不变时， 焊接速度增大， 密封成品率呈下降趋势。 分析原因为： 随着焊接速度增大， 焊接线能量（激光输出功率与焊接速度的比值）降低， 焊接熔池温度就低， 进而焊缝熔深浅，这样焊后形成焊缝的空间几何结构的致密性差， 不能达到气密性指标要求的密封试件的数量就有所增加。 为了提高封装效率， 应尽可能提高焊接速度， 但又要保证较高的密封成品率， 可适当增大激光输出功率。

试件表面处理状态对密封性的影响
焊接前， 外壳和盖板的焊缝部位用丙酮清洗， 去除油脂和其它污染物。 金属封装外壳常用的镀层方案为： 镍镀层作为底镀层；表面镀层为可软钎焊的金镀层、 纯锡镀层或锡合金镀层（如锡铅、 锡铋、 锡铈等）。图 5 为化学镍镀层作为底镀层的焊缝，焊缝明显产生了裂纹， 气密性不达标。 经过分析， 发现化学镀液中是使用了次磷酸钠还原剂， 它能与镍共沉积， 形成镍-磷合金镀层， 其中磷的质量百分比为 1%～15%。 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。 在激光焊后焊缝金属凝固过程中， 这种薄弱的晶界在由于收缩而受到的拉伸应力作用下而开裂， 形成焊接裂纹。 采用氨基磺酸镀镍液进行电镀可以得到纯镍的底镀层， 有效避免了焊缝裂纹的产。

图 6为电镀金层作为表面镀层的激光焊接焊缝外观。 从图中可以看出， 焊缝成型美观， 没有裂纹、 气孔等欠缺的发生， 气密性满足要求， 说明电镀金层对密封性能没有影响。 图 7 为电镀锡铋镀层作为表面镀层的激光焊接焊缝外观。 焊缝中心出现了气孔， 分析原因： 锡铋为低熔点合金， 熔点 230℃左右， 而激光焊接 4J42 合金的温度高达 1400℃以上， 在焊接过程中产生蒸发汽化， 形成了焊缝气孔。 因此， 电镀锡铋镀层不适于采用激光焊密封方法进行气密封装的金属外壳的表面镀层处理方案。

结论
采用 Nd: YAG 脉冲激光焊接 4J42 合金封装外壳， 控制好激光输出功率、 焊接速度、试件表面处理状态等影响密封性的工艺参数， 就可以成功实现外壳的气密封装。