淺談平行縫焊工藝與技術(shù)

貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體股份有限公司 商登輝 諶帥業(yè) 周 恒

平行縫焊工藝作為集成電路等元器件常用的一種密封工藝，特別是在陶瓷金屬框架的高可靠氣密性集成電路封裝上應(yīng)用廣泛。通過SM8500和SSEC2400設(shè)備對平行縫焊工藝進(jìn)行介紹以及工藝設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)的解析，同時(shí)通過工裝夾具的靈活設(shè)計(jì)，提供了高良率的平行縫焊生產(chǎn)工藝，以滿足批量化生產(chǎn)質(zhì)量控制需求。

氣密性平行縫焊工藝主要用于矩形、圓形、異形蓋板類金屬外殼或陶瓷基體金屬框架外殼密封使用，其原理為兩個(gè)平行的導(dǎo)電電極輪通過一定壓力作用與蓋板、外殼緊密接觸，通過大電流以脈沖的形式融化蓋板鍍層在蓋板上形成一系列重疊的焊點(diǎn)使蓋板與管基經(jīng)融化的鍍層結(jié)合從而形成氣密性的封裝。在實(shí)際生產(chǎn)科研過程中，其工藝參數(shù)的設(shè)置、電極輪的選用、工裝夾具的設(shè)計(jì)、管基蓋板鍍層的設(shè)計(jì)等都將影響產(chǎn)品的可靠性和成品率。因此，需要進(jìn)行可靠的工藝設(shè)計(jì)等以達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)需求。

1 平行縫焊工藝設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 SSEC和AMADA平行縫焊設(shè)備

SSEC與AMADA雖同為平行縫焊設(shè)備原理相同但工藝設(shè)置有所不同，前者在工藝設(shè)置中以功率作為導(dǎo)入，后者則直接以電流作為導(dǎo)入，作為使用感受來講，SSEC設(shè)備擁有更加靈活個(gè)性化的自由特性，可以根據(jù)自身產(chǎn)品工藝需求進(jìn)行深層次的工藝設(shè)計(jì)，但其缺點(diǎn)便是速度較慢，無法進(jìn)行中間開始縫焊模式，AMADA設(shè)備脈沖曲線設(shè)置較為方便且縫焊速度較快，并且擁有中間縫焊模式能夠避免常見的邊角打火問題發(fā)生，但其程序較為固定，深層次的個(gè)性化使用需求欠佳。

1.2 平行縫焊中工藝的設(shè)置

在平行縫焊工藝中，影響縫焊質(zhì)量的工藝參數(shù)主要為電流（功率）、脈沖寬度、周期、壓力、速度、與尺寸設(shè)置。其中單個(gè)焊點(diǎn)的能量與電流（功率）和脈沖寬度成正比例關(guān)系，與速度周期成反比例關(guān)系，在實(shí)際中，壓力和尺寸設(shè)置也是產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵因素，由于縫焊融化鍍層的根本原理為融焊焊接，其接觸電阻則是其中關(guān)鍵的因素，接觸電阻首先由電極輪材料和蓋板材料決定，其次由電極輪與蓋板接觸界面決定，當(dāng)壓力大時(shí)，接觸電阻變小，壓力小時(shí)，接觸電阻變大。同時(shí)，過大的壓力將對于如氧化鋁陶瓷基體的外殼造成應(yīng)力損傷，較小的壓力又可能導(dǎo)致電極輪與蓋板虛接產(chǎn)生高阻打火現(xiàn)象。因此合適的壓力設(shè)置是工藝中關(guān)鍵的一點(diǎn)。其尺寸設(shè)置由具體產(chǎn)品的蓋板尺寸決定，其常見的問題便是邊角縫焊不充分、漏焊情況，因其電極輪存在角度和邊角需要X-Y重疊密封，一般實(shí)際縫焊距離需大于蓋板直線尺寸，則通過延遲距離進(jìn)行補(bǔ)充。延遲距離是電極直徑和高度調(diào)節(jié)的相關(guān)函數(shù)，為了達(dá)到密封的目的，必須在角落有一些重疊。當(dāng)角點(diǎn)重疊大約在45°～60°時(shí)，效果最好。為了達(dá)到最好的縫焊效果，則存在半徑與接觸角的余弦倍數(shù)差值關(guān)系，結(jié)合錐形角度電極輪的直徑漸變導(dǎo)致延遲距離的正相關(guān)漸變。

1.3 平行縫焊中夾具的設(shè)計(jì)

夾具在平行縫焊中的作用主要為外殼固定且熱量傳導(dǎo)散發(fā)的作用，因此，常見的平行縫焊夾具多用鋁合金作為夾具主要制作材料。其固定設(shè)計(jì)通常采用機(jī)械禁錮、限位禁錮、磁吸、真空吸附等方式進(jìn)行，具體需要根據(jù)產(chǎn)品外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)方式的選取。氣密性平行縫焊中多數(shù)廠家呈現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)特性，因此設(shè)計(jì)多功能可變的工裝夾具便是一種需求，對于平行縫焊工藝使用較多的DIP型封裝和CSOP型封裝，可以使用組合夾具，應(yīng)用滑動模塊和螺旋擋板進(jìn)行平面尺寸的多種調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品的兼容共用。

1.4 不同設(shè)備間工藝設(shè)置的差異

雖然通過理論公式可以算出在相同單位能量下不同工藝參數(shù)的組合，但在實(shí)際應(yīng)用中不同組合將呈現(xiàn)截然不同的縫焊效果，特別是不同設(shè)備間的差異更加巨大。在工藝設(shè)置中，常用有大壓力、大功率、高速度的組合以及小壓力、小功率、慢速度的組合，其使用需要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況進(jìn)行工藝設(shè)置和選擇，對于SSEC設(shè)備和AMADA設(shè)備而言其多項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)置都有各自的理論基礎(chǔ)，不能進(jìn)行簡單的原理計(jì)算和數(shù)值照搬，比如脈沖寬度，SSEC設(shè)備通常使用5ms～12ms左右的脈沖寬度能夠得到較好的縫焊效果，AMADA則常用1.5ms～2ms左右的脈沖寬度，如果僅是一味照搬數(shù)值在SSEC設(shè)備上將出現(xiàn)焊接能量過小，蓋板掉蓋情況，AMADA設(shè)備上將會出現(xiàn)能量多大，蓋板鍍層立刻消融情況。

2 平行縫焊中常見的質(zhì)量問題

氣密性平行縫焊工藝中，常見的質(zhì)量問題有打火、偏蓋、漏氣、瓷體裂紋（陶瓷基體）、玻璃絕緣子炸裂（圓引線外殼）、蓋板凹陷以及蓋板凸起、PIND檢測不合格、內(nèi)部氣氛檢測不合格等不良現(xiàn)象。對于打火不良，指的使電極輪在縫焊過程中或者縫焊開始/結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的高阻放電現(xiàn)象，此不良將造成電極輪和蓋板燒蝕，導(dǎo)致電極輪表面狀態(tài)變化和產(chǎn)品漏氣，在縫焊過程中的打火一般為壓力設(shè)置過小或者電極輪/蓋板表面存在沾污存在多余物，在縫焊開始/結(jié)束時(shí)的打火一般為電極輪不在同一水平面，解決方法為初始化和調(diào)節(jié)延遲距離。偏蓋不良指的是蓋板和管基縫焊環(huán)區(qū)域未完全重疊出現(xiàn)角度偏差，一般為人為放置偏差、設(shè)備運(yùn)行過快抖動偏差或點(diǎn)焊參數(shù)過低蓋板在縫焊時(shí)偏差。瓷體裂紋（陶瓷基體）、玻璃絕緣子炸裂（圓引線外殼）一般會導(dǎo)致漏氣，其原因可能為工裝設(shè)計(jì)不合理和工藝參數(shù)設(shè)置過大導(dǎo)致，漏氣也有可能由縫焊不充分導(dǎo)致。

3 特殊情況下的平行縫焊

在平行縫焊中，會存在一些特殊應(yīng)用情況，如對邊長小于3mm的外殼進(jìn)行平行縫焊和對涂覆金錫焊料環(huán)的蓋板進(jìn)行縫焊。一般對于小尺寸外殼管基產(chǎn)品平行縫焊會存在困難，當(dāng)邊長小于3mm時(shí)，需要針對性的重新設(shè)計(jì)電極輪來對小尺寸外殼進(jìn)行匹配，建議針對小尺寸外殼電極輪角度設(shè)計(jì)為12°或15°，這樣將會降低縫焊的焊縫寬度，電極輪縫焊面建議設(shè)計(jì)為1mm，以避免進(jìn)行縫焊時(shí)左右電極輪的碰撞。金錫焊料環(huán)產(chǎn)品通常使用真空燒焊技術(shù)進(jìn)行可靠的封接，但在有些特定情況下需要使用平行縫焊技術(shù)進(jìn)行密封，由于金錫的熔點(diǎn)約為280℃相對于可伐合金材料過低，因此需要使用較小的工藝參數(shù)進(jìn)行加工，對于長寬比較小的小外殼而言可以有效的封接，對于長寬比較大的大外殼而言，由于金錫環(huán)存在一定厚度（約0.05mm），金錫在融化的瞬間便會凝固，平行縫焊屬于線性點(diǎn)焊，因此對于長寬比較大外殼容易出現(xiàn)封完一邊后另一邊因應(yīng)力出現(xiàn)拱形形貌，使蓋板中心處為最高點(diǎn)與管基分離。對此一般先對長邊進(jìn)行縫焊，隨后對短邊進(jìn)行縫焊以盡可能規(guī)避此類相現(xiàn)象。但此現(xiàn)象造成的應(yīng)力積累并不能避免。

對于以上情況，可以使用圓形縫焊等效替代進(jìn)行解決，通過對矩形產(chǎn)品中心做對角線，最長對角線為擬合圓形直徑，最長對角線的一半減去其中心最短垂直線為電極輪最小寬度，通過電極輪的針對設(shè)計(jì)以外殼幾何中心為中心使電極輪與外殼直接接觸外殼自轉(zhuǎn)180°進(jìn)行圓形縫焊，這樣可以避免如打火等質(zhì)量問題，并且由于電極輪在全過程與蓋板接觸，通過調(diào)節(jié)功率和速度可以使外殼得到類似金錫環(huán)融封工藝中所用的溫升曲線。

綜上，不同的設(shè)備之間工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)存在很大的差異，且工藝的調(diào)節(jié)不能簡單依靠理論以及在設(shè)備之間簡單的數(shù)值轉(zhuǎn)移。影響縫焊效果不僅有工藝設(shè)置的影響，還有夾具設(shè)計(jì)、電極輪設(shè)計(jì)的影響，對于一些平行縫焊分特殊情況，可以使用圓形縫焊進(jìn)行解決和規(guī)避。