淺談電極對(duì)平行縫焊質(zhì)量的影響

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姚秀華 劉笛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第47 研究所）

摘要：

伴隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)溫度較敏感的電子元器件在設(shè)計(jì)中被普遍采用，為了滿足這種電子元器件的封裝要求，平行縫焊技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。平行縫焊是一種溫升小、氣密性高的高可靠性封裝方式，普遍用于對(duì)水汽含量和氣密性要求較高的集成電路封裝中。影響平行縫焊質(zhì)量的有諸多因素，如蓋板和管殼之間的匹配、工藝參數(shù)的設(shè)置、電極表面的狀態(tài)等。我們通過(guò)在SSEC（Solid State Equipment Company）M-2300型平行縫焊機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出電極的狀態(tài)對(duì)于平行縫焊的成品率有著直接的影響。

1 引言

平行縫焊是一種溫升小、氣密性高的高可靠性封蓋方式，普遍用于對(duì)水汽含量和氣密性要求標(biāo)準(zhǔn)較高的陶瓷封裝和金屬管殼封裝中。影響平行縫焊質(zhì)量的因素有很多，如夾具的設(shè)計(jì)、蓋板質(zhì)量、蓋板與基座的匹配、電極狀況以及平行封焊各工藝參數(shù)的匹配等。本文主要分析電極狀況對(duì)器件封裝可靠性的影響。

2 平行縫焊工作原理

平行縫焊的基本原理如圖 1 所示。它是一種電阻焊，用兩個(gè)圓柱形的滾輪電極與金屬蓋板接觸形成閉合回路，焊接的功率以電流的形式從其中一個(gè)電極分為兩股電流，一股流過(guò)蓋板，另一股流過(guò)管殼，回到另一電極。整個(gè)回路的高阻點(diǎn)在電極與蓋板接觸處，電流在接觸處產(chǎn)生大量熱量，使其呈熔融狀態(tài)，凝固后即成一連串焊點(diǎn)。因焊接采用脈沖電流，故焊點(diǎn)能相互交疊，就形成了氣密填充焊縫 [1] 。

平行縫焊的能量主要由以下幾個(gè)工藝參數(shù)決定：功率P、脈沖PW、周期PRT、速度S 以及縫焊長(zhǎng)度 L。各參數(shù)間的關(guān)系如公式（1）所示：

平行縫焊的總能量

E=（P ×PW × L） / （PRT × S ） （1）

在實(shí)際工作中PW、L 、PRT、S為預(yù)先設(shè)置，在縫焊過(guò)程中不改變，所以可將（PW ×L）/（PRT × S）用系數(shù)A 代替，因此公式（1）可寫為E = A × P。

在縫焊過(guò)程中，電極與蓋板邊緣接觸，在電極與蓋板接觸處產(chǎn)生接觸電阻R，根據(jù)P=I 2 R 和E = A× P，聯(lián)立可得E=I 2 RA。由此可見(jiàn)縫焊的總能量與縫焊過(guò)程中的接觸電阻值成正比，而在實(shí)際縫焊過(guò)程中電極表面的平整程度、潔凈程度和電極位置的變化都會(huì)對(duì)接觸電阻產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變平行縫焊過(guò)程的總能量，對(duì)平行縫焊的可靠性產(chǎn)生影響。

3 電極對(duì)平行縫焊可靠性的影響

3.1 電極的角度

在實(shí)際縫焊過(guò)程中，主要使用兩種角度的電極，分別是 4°電極和 10°電極。電極的角度主要是指電極的斜切面與水平面之間的夾角θ，如圖 2所示。

分別用4°電極和10°電極對(duì)DIP-8陶瓷管殼進(jìn)行封蓋試驗(yàn)，為了觀察電極度數(shù)對(duì)封蓋可靠性的影響，將封蓋參數(shù)調(diào)整到使之接近DIP-8陶瓷管殼封蓋總能量的極限值，以方便觀察和分析，封蓋參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。

在進(jìn)行縫焊的過(guò)程中，平行縫焊機(jī)通過(guò)電極以脈沖放電的方式進(jìn)行縫焊，電極與蓋板接觸，在蓋板邊緣處產(chǎn)生連續(xù)的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)間相互疊壓，形成一個(gè)閉合的焊接鏈，用4°電極與10°電極以表1中的縫焊程序分別對(duì)10 只樣品進(jìn)行封蓋，對(duì)封蓋后的樣品外觀進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn) 4°電極縫焊的焊縫明顯寬于10°電極焊縫，因此可知電極的度數(shù)決定了在縫焊過(guò)程中電極與蓋板之間接觸面的大小。

觀察樣品管殼的側(cè)壁，發(fā)現(xiàn)用10°電極進(jìn)行封蓋的產(chǎn)品中有6 只在縫焊環(huán)與陶瓷接口處出現(xiàn)裂縫，而用 4°電極縫焊的 10 只管殼無(wú)該現(xiàn)象出現(xiàn)。樣品側(cè)壁出現(xiàn)裂紋是由于縫焊環(huán)和陶瓷管座熱膨脹系數(shù)不同造成的。在4°電極與10°電極縫焊的過(guò)程中，根據(jù)公式（1）可知兩種電極所釋放的總能量一致，但只有10°電極封蓋時(shí)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象是因?yàn)?10°電極與蓋板的接觸面偏小造成了熱量局部加載到縫焊環(huán)處，而用 4°電極縫焊時(shí)電極與蓋板的接觸面積相對(duì)更大，使縫焊過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更加均勻地加載在縫焊環(huán)處，所以使用 10°電極比使用 4°電極封蓋更容易出現(xiàn)樣品側(cè)壁開裂的現(xiàn)象。

因此在進(jìn)行陶瓷管殼封蓋時(shí)，應(yīng)盡量選取 4°電極，這樣更容易釋放縫焊過(guò)程中加載在殼體上的熱應(yīng)力，有助于提高封裝的可靠性。

3.2 電極表面平整程度

對(duì)大批量的產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)封蓋和在封蓋過(guò)程中出現(xiàn)的打火現(xiàn)象都會(huì)造成電極表面的不平整，不平整的電極表面對(duì)封蓋的成品率有著直接的影響，這是因?yàn)樵诳p焊過(guò)程中，電極表面的坑洼處與蓋板接觸的瞬間，接觸電阻 R 發(fā)生了改變，根據(jù)縫焊總能量E=I 2 RA 可知，接觸電阻R 的改變影響了縫焊的總能量值，而能量的變化不僅會(huì)影響良好焊點(diǎn)的形成，而且還會(huì)造成打火現(xiàn)象，使產(chǎn)品的漏氣率大大增加。

3.3 電極表面潔凈程度

在縫焊的過(guò)程中電極表面的潔凈程度也是影響封裝成品率的主要因素，封蓋過(guò)程本身的瞬間高溫和封裝環(huán)境的不潔凈都會(huì)造成電極表面的不潔凈。在縫焊過(guò)程中，電流在電極與蓋板接觸處產(chǎn)生高溫，瞬間的高溫使蓋板鍍層部分熔化粘附到電極表面，形成粘附層，如果不及時(shí)處理，會(huì)對(duì)漏氣率產(chǎn)生影響，下面我們用一組數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明該問(wèn)題，見(jiàn)表 2。

電極表面的粘附層伴隨著連續(xù)封蓋次數(shù)的增多，其厚度變大，造成了電極與蓋板之間接觸電阻的改變，蓋板表面的焊縫變得越來(lái)越粗糙，形成了不良焊點(diǎn)，不僅在縫焊過(guò)程中容易發(fā)生打火現(xiàn)象，而且封蓋漏氣率也隨著連續(xù)縫焊數(shù)的增多急劇增多，容易形成可靠性隱患。

另外，如果封蓋環(huán)境不潔凈，那么在封蓋過(guò)程中，封蓋環(huán)境內(nèi)的微小顆?？赡軙?huì)落到蓋板和電極接觸處，使接觸電阻發(fā)生改變，導(dǎo)致打火現(xiàn)象的發(fā)生，致使樣品漏氣。

因此在縫焊過(guò)程中要時(shí)刻注意電極表面的潔凈程度，在連續(xù)縫焊時(shí)，要定期對(duì)電極表面進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)表面玷污要及時(shí)進(jìn)行打磨處理。

3.4 電極的位置

在平行縫焊過(guò)程中左、右電極的位置應(yīng)盡量對(duì)稱，這樣既可以保證接觸電阻的一致性，又可保證焊縫寬度的一致性。平行縫焊過(guò)程中還要注意延遲距離的大小。如果打火現(xiàn)象發(fā)生在電極與蓋板開始接觸的瞬間，則是由于延遲距離設(shè)置太短。延遲距離一般可設(shè)為1.04mm左右。如果打火現(xiàn)象發(fā)生在電極與蓋板分離的瞬間，則是由于封焊的距離設(shè)置太長(zhǎng)。封焊的距離應(yīng)為所封器件的封裝長(zhǎng)度與 2 倍延遲距離的和。如果打火現(xiàn)象發(fā)生在封焊過(guò)程中，則應(yīng)調(diào)節(jié)電極高度的大小。

4 總結(jié)

通過(guò)一系列的試驗(yàn)，我們可以得出電極度數(shù)的改變，電極表面的平整程度、潔凈程度以及電極的位置變化對(duì)于縫焊最終的可靠性都有著直接的影響。因此在縫焊過(guò)程中，定期對(duì)電極狀態(tài)進(jìn)行檢查對(duì)于提高樣品成品率是十分必要的。

審核編輯 黃宇