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，一股流過蓋板，另一股流過管殼，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。由此可見縫焊的總能量與縫焊過程中的接觸電阻值成正比，而在實(shí)際縫焊過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)行縫焊的過程中，平行縫焊機(jī)通過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)來說明該問題，見表 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越粗糙，形成了不良焊點(diǎn)，不僅在縫焊過程中容易發(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，那么在封蓋過程中，封蓋環(huán)境內(nèi)的微小顆粒可能會(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)生在封焊過程中，則應(yīng)調(diào)節(jié)電極高度的大小。

4 總結(jié)

通過一系列的試驗(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