全自動平行縫焊機產生次品的原因分析與改進

李文浩，閆旭冬

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

在航空、航天領域電子設備中，由于應用環境的復雜性，對相關電子器件及模塊的封裝質量有嚴苛的要求。平行封焊工藝在封焊過程中升溫小、封焊的氣密性高，而且封焊封裝的方法有很高的可靠性，因此多用于航天、航空領域電子用芯片的封裝。傳統低效率手動對位封焊設備已不能滿足快速高效發展的工藝需求，因此自動對位、封蓋的平行封焊工藝成為一種必然趨勢。本文主要分析了在全自動平行封焊機封焊過程中，影響電子器件模塊封裝次品率的因素。

1 平行縫焊的工作原理

平行縫焊屬于電阻熔焊，在一定壓力下，用2個圓錐形滾輪電極壓在蓋板與焊框上，形成一個閉合回路，焊接的功率以電流的形式從焊接電源的一端經其中一個電極分為2路電流，一路流過蓋板，另一路流過管殼，經另一電極回到焊接電源的另一端，整個回路的高電阻在電極與蓋板及蓋板與焊框的接觸處，如圖1所示。根據能量公式(Q=I2Rt)，其中Q為產生的熱量，I為電流，R為接觸電阻，t為放電時間。焊接的脈沖電流將在兩個接觸電阻處產生大量的熱使接觸處呈熔融狀態，在滾輪電極輪的壓力下，凝固后即形成一連串的焊點[1]。

圖1 平行封焊原理圖

2 影響因素

2.1 自動對位精度

圖22 種工裝的3D示意圖

全自動平行縫焊機對產品進行封焊的第一步就是自動對位，因此自動對位精度是直接造成全自動平行縫焊機次品率的因素之一。通過實驗發現，管殼與工裝夾具的固定方式會直接影響對位精度與封焊效果。工裝A是帶彈簧壓緊機構，工裝B是普通工裝，其3D示意圖如圖2所示。分別點焊100只同一產品，以偏移量小于50 μm為標準檢驗是否合格。驗證的結果如表1所示，工裝A點焊的合格率為100%，而工裝B的合格率為97%，因此工裝設計中應盡可能地將管殼固定。

表1 不同工裝對位精度的合格率對比

其次視覺識別效果直接決定產品的對位精度，影響視覺識別的主要因素有2個：工裝表面處理顏色及光源顏色的選擇。產品一般分為2種，鍍金或鍍鎳，工裝表面處理顏色有黑色和灰白色，視覺光源色有紅、綠、藍可控，通過控制變量的方法進行視覺識別試驗，結果如表2所示。工裝發黑時，紅光和綠光對鍍金的產品具有不錯的識別效果，兩者的成像效果相差不大，藍光對于鍍金產品的成像效果最差；對于鍍鎳的產品，紅、綠、藍的識別效果對比，紅光的輪廓更為清晰。工裝發白時，同樣的光源對于發黑工裝的成像效果明顯變差，紅光和藍光的輪廓較為清晰。因此在對全自動平行縫焊機進行工裝設計時，表面處理應該為發黑處理，視覺光源的選擇優先考慮紅光。

表2 產品視覺識別效果

2.2 焊接壓力的穩定性

根據能量公式Q=I2Rt，電阻直接影響能量的大小，而整個封焊回路的高電阻在電極與蓋板及蓋板與焊框的接觸處，這兩處的接觸電阻是由封焊頭的壓力決定，因此應該注意左右封焊電極的焊接壓力是否一致，這樣可以保證接觸電阻的一致性，從而保證產品封焊寬度的一致性。

現有的封焊頭壓力控制通常有2種，一種是通過控制彈簧的壓縮量來實現壓力調整，另一種是通過增加砝碼塊來實現壓力的調整。通過2種不同的結構對同一種產品進行縫焊。分別縫焊30只產品，觀察封焊效果，發現自重結構封焊的焊痕一致性很好，目檢全部合格；而彈簧結構下封焊的個別產品出現焊痕左右不均勻、其中一邊出現斷焊的現象。自重、彈簧結構封焊效果圖如表3所示。

圖3 封焊頭結構

表3 封焊焊痕效果對比

通過分析發現由于全自動縫焊機工裝尺寸較大，且經過長時間烘烤其平面度有所改變；另外，由于產品公差、工作平臺誤差、工裝的加工誤差等因素，使用彈簧結構對產品進行封焊時，產品的左右縫焊頭壓力會有明顯差異，從而造成焊痕不均勻或者出現斷焊的現象。因此在全自動封焊頭進行設計時優先考慮自重結構，保證焊接壓力的穩定性[2]。

2.3 縫焊參數

縫焊參數是保證焊痕合格的關鍵。縫焊參數主要包括電源參數、縫焊電極位置參數。縫焊電源參數主要分為電流參數和時間參數，如圖4所示。圖中的I1～I4、t1～t2、n1～n4、th～tc分別代表電流參數、下壓和休止時間、脈沖個數及加熱和冷卻時間，具體為：

（1）電流參數：機器設計為4段加熱可選擇，保證機器有廣泛的焊接工藝適應性。電流設定分為4個參數（I1～I4，見圖4），分別為：I1為起始電流；I2為穩定電流；I3為緩降后的電流；I4為陡降后的電流。

圖4 焊接電源參數界面

（2）時間參數：根據焊接循環和加熱的要求，時間分為6段控制，即t1為電極下壓；t2為休止；n1、n2、n3、n4是電流對應的脈沖個數，每個脈沖加熱和冷卻的時間分別由th和tc設定。

通過調整電源的電流參數與時間參數，控制焊接電源的能量輸出。能量過大，會造成蓋板擊穿；能量過小，則會造成蓋板沒有融或者露筋的現象發生，這兩種情況都會造成產品的漏氣。因此最優電源參數的選擇可通過大量試驗及現場驗收標準進行摸索。

縫焊電極位置參數主要包括起點超滾距離、終點超滾距離、起點不放電距離與終點不放電距離。如圖5所示，起點、終點超滾距離，是為了保證產品的4個角上封焊閉合從而保證氣密性，如圖6所示。起點、終點設置的不放電距離，是為了避免由于產品及工裝的公差導致電極輪壓的產品不牢固而造成打火現象。

圖5 封焊電極位置參數示意圖

3 結束語

本文結合實際生產經驗，對全自動平行縫焊設備縫焊管殼造成次品的原因進行分析，并對相關結構進行改進。通過其影響因素改良，不僅降低了設備制造成本，而且大大提高了產品的成品率，對全自動平行縫焊機設計優化具有一定的指導意義。