微系統封裝平行縫焊技術研究

張 瀟，王亞東，李富國，秦 超

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

近年來，電子系統廣泛應用在航空、航天、航海、鐵路等領域，隨著市場對電子系統小型化、智能化的迫切需求，微系統技術取得了長足的發展。隨著系統的互連密度越來越大、封裝尺寸越來越小，一系列新型工藝技術推動電子封裝技術向更高技術方向發展，微系統化對微封裝技術提出了巨大的挑戰，成為軍用電子產品小型化、多功能、高性能發展的重要方向。平行縫焊技術是微系統封裝的一個重要方向，通過利用兩個圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和管殼，在滾輪電機的壓力下，形成一連串焊點，實現整個外殼的封裝。這種氣密性封裝技術由于自身具有很多優點，且工藝發展成熟，在封裝領域已廣泛應用[1]。

本文所論述的微系統封裝主要解決金屬基座、陶瓷金屬化基板之間的氣密性封裝。圍框材料選用可伐合金，蓋板選用鐵鎳合金材料，對殼體及蓋板之間進行平行縫焊的封焊試驗。通過調整焊接工藝參數分析其對焊接質量及氣密性的影響，并用氦質譜儀檢測氣密性達到預定指標；分析了在試驗過程中出現的問題，并得到優化的焊接參數，對微系統氣密性封裝獲得良好的焊接效果具有一定的幫助。

1 平行縫焊工作原理

平行縫焊本質上屬于電阻焊，其工作原理見圖1。從電源一側流出的電流流過電極1，通過電極1與蓋板間的接觸點，再流過蓋板本體，到電極2，最后返回電源。不排除部分來自電極的電流沒有直接通過蓋板中心，而是穿透蓋板到達待封裝殼體底座返回另一側蓋板。電源通電時，電極在移動的同時通過電極輪轉動。電源傳遞的總功率一部分轉換成電源內部熱量，一部分消耗在接線上，還有一部分消耗在蓋板內，但大部分消耗在電極和蓋板的接觸點處，產生焦耳熱量，使蓋板與圍框之間局部形成熔融狀態，凝固后形成一連串的焊點[2]。根據焦耳定律，儲存的能量公式為

式中：E為儲存的能量；K為比熱；ΔΘ為溫度變化；M為質量。試驗中采用矩形殼體，焊接好蓋板的兩條相對的邊后，工作臺自動旋轉90°，再次焊接另外兩條對邊，這樣管殼的封裝就完成了。焊接過程中各參數之間的關系公式為

式中：TPW為脈沖周期；P為功率；L為管座長度；T為周期；v為電極速度；I為工作電流；R為等效電阻；t為時間。圖1為平行縫焊工作原理示意圖。

圖1 平行縫焊工作原理示意圖

2 平行縫焊主要工藝參數

2.1 焊接功率

封焊一件產品所需要的能量由流經接觸電阻的電流產生，圖2為電壓-電流-功率之間的關系圖。由圖2可知，功率始終為正值。假設TPW為設定的脈沖周期。每個周期內傳遞的能量等于電源接通時功率與時間的乘積。整個電路系統中電阻分為內電阻和外電阻兩部分，外電阻很大時，流動的電流很小，總功率也很小；外電阻很小時，在內電阻上的分壓將消耗大部分能量，使得外電阻分得的功率較小。對于固定的電源設備系統，傳遞到外電阻上的功率與內外電阻值分配有關，當兩者相等時，分配得到的功率最大，效率最高。

圖2 電壓-電流-功率關系圖

2.2 焊接速度

對平行縫焊技術而言，封焊速度也是影響焊接質量的關鍵控制點之一。系統提供連續的脈沖串，脈沖周期為TPW。當脈沖提供的能量足夠大時，即可以熔化電極所在范圍內的金屬材料，此時封焊速度越高，越傾向于使焊點變大；當脈沖不能提供足夠能量時，焊接速度越高，焊點反而要減小。此時焊點重合率低，易產生裂紋及焊縫不完整等情況；焊接速度過低，能量聚集明顯，管殼溫度升高，易產生氣孔及軌跡不平整等現象。因此，為了獲得較好的焊接效果，形成氣密焊縫，需要在正式焊接產品之前進行一系列參數試驗及調整，使參數達到最優匹配，有效提高封裝成品率[3]。

2.3 電極壓力

電極壓力直接影響接觸電阻的大小。增加壓力時，金屬材料保持熔化狀態的溫度范圍變大，溫度的控制作用減弱；接觸電阻變小，使得蓋板與殼體接觸點處分到的功率變小，總能量減少，造成能量損耗；消耗在蓋板和底座之間的能量增加，可能會造成內部電路能量過高等缺陷。較大壓力使蓋板和底座間的熱傳導性能增加，有助于熔焊。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗方法

平行縫焊主要針對形狀規則的金屬封裝殼體進行氣密封焊[4]。本次試驗中的底座圍框為4J29可伐合金，熔點1 450℃，與陶瓷熱膨脹系數相匹配。蓋板采用4J42鐵鎳合金，熔點1 440℃。樣品底座為方形管殼，尺寸為15 mm×12 mm，蓋板為內嵌式，封焊區的厚度約為0.1 mm，尺寸與底座一致，蓋板和封裝殼體結構見圖3。將進行過表面清理的合格的待封管殼放入金屬夾具中，與蓋板一同放入氮氣環境中進行試封。封蓋完畢后，將產品從交換箱中取出，檢查封裝外觀質量，外觀合格的產品進行氣密性測試。平行縫焊機一般只能對規則的管座進行封焊，并且要求蓋板表面盡量在同一平面上，否則不容易進行封焊。封焊過程中應注意以下5點：一是在打開真空烘箱的外門后，在下次打開其內門前，要對其進行箱體抽補氣，否則混入箱內的空氣會污染手套箱內的氣氛；二是打開交換箱的外門后，在下次打開其內門前，要對其進行箱體抽補氣，否則混入箱內的空氣會污染手套箱內的氣氛；三是真空烘烤結束后，待工件冷卻后再用手拿取，防止其溫度過高造成燙傷；四是在焊接過程中，雙手嚴禁觸摸電極輪，以防燙傷；五是保證焊接過程中有連續穩定的氣源供應，并且手套箱進氣口的壓力不低于0.4 MPa。

圖3 蓋板和封裝殼體結構示意圖

3.2 試驗結果及分析

表1為平行縫焊樣品工藝參數。

表1 平行縫焊樣品工藝參數

選取焊接電流、焊接速度、延遲距離等對縫焊影響較大的參數作為平行縫焊質量判定試驗的變量，按照表1參數設計實驗，完成對不同樣品的試封[5]。在這些工藝參數中，所選用的焊接壓力是相同的，采用上述試驗方案，得到焊縫效果見第73頁圖4。

方案1和方案2用于對比焊接電流對焊接效果的影響，兩組試驗焊縫外觀分別見圖4-a和圖4-b。從圖中可以看到，在其他參數一致的情況下，選用較小的焊接電流，焊縫處的焊點由于能量過小沒有完全形成，搭接不均勻，因此焊接電流不宜過小。經多次試驗可得，采用1.6～2.0 kA焊接電流時焊接效果較好。

圖4 焊縫效果圖

方案2和方案3用于對比焊接速度對焊點連續性的影響，兩組試驗的效果圖分別見圖4-c和圖4-d。焊接速度是指焊接過程中待封管殼在電極下的移動速度，其速度對縫焊過程中的能量也有一定的影響。焊接速度過小，焊接總時間延長，焊接熱量增大，致使管殼溫度升高，焊接外觀不平整，有小的凹痕。經多次試驗可得，焊接速度為4 mm/s時可獲得良好的焊點重疊。

方案2和方案4用于對比延遲距離對焊縫外觀質量的影響。本試驗中設置起始位置和結束位置選用相同的延遲距離，當延遲距離較短時，電極和蓋板間易造成接觸不良的情況，致使電流增大，出現打火現象，在蓋板的拐角處因能量過大而發黑，見圖4-f。因此要設定合適的延遲距離，保證在起點和終點搭接良好。經多次試驗可得，延遲距離選用1.8 mm時邊緣焊接效果較好。

4 結論

本文針對采用底座圍框為4J29可伐合金，蓋板為4J42鐵鎳合金的樣品進行平行縫焊的封焊試驗，開展了工藝參數對焊縫效果的對比試驗，探討了平行縫焊過程中焊接電流、焊接速度等對焊接效果的影響。通過實際試驗情況，對比焊縫效果，可以得出：當焊接電流為1.7 kA，焊接速度為4 mm/s，延遲距離為1.8 mm，壓力為10 N時得到的樣品焊點一致性很好，焊縫表面平整，滿足合格焊縫要求，為后續產品封焊提供參考。