固態(tài)繼電器平行縫焊工藝

(貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽(yáng)，550018)

1 固態(tài)繼電器平行縫焊概述

固態(tài)繼電器(Solid State Relay,SSR)是電子控制設(shè)備的重要組成部分。自誕生以來(lái)一直被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等。隨著焊接技術(shù)、密封工藝的發(fā)展，氣密式密封固態(tài)繼電器以其高可靠性、長(zhǎng)壽命周期、小體積、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用在嚴(yán)酷工作條件下的宇航設(shè)備和軍用電子設(shè)備中。在可靠性要求高的場(chǎng)所采用金屬氣密式密封，其作用為隔絕水汽、空氣中的氧氣及其它有害介質(zhì)，防止芯片、鍵合引線(xiàn)、厚膜導(dǎo)體、陶瓷覆銅區(qū)及其它器件暴露在空氣中腐蝕失效。熔焊封接技術(shù)是常用的實(shí)現(xiàn)金屬氣密式密封的一種方法，熔焊是通過(guò)加熱實(shí)現(xiàn)蓋板(罩殼)與底座熔融形成焊點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連接的工藝技術(shù)，依據(jù)工藝技術(shù)不同包括平行縫焊、儲(chǔ)能焊、激光縫焊、釬焊、錫焊等。

平行縫焊是目前在氣密性要求高的封裝結(jié)構(gòu)中普遍使用的工藝，具有較高的可靠性和焊接效率，焊接過(guò)程對(duì)器件的溫度沖擊較小，焊接接頭強(qiáng)度高，不用添加焊料等特點(diǎn)，適用于金屬氣密式密封固態(tài)繼電器。

2 平行縫焊工藝

平行縫焊是一種電阻焊，是通過(guò)兩個(gè)平行的圓錐形銅合金滾輪電極與蓋板接觸，給電流提供了一個(gè)閉合的回路，當(dāng)兩個(gè)電極施加一定的壓力，在電極與蓋板及蓋板與焊框之間存在接觸電阻，因接觸電阻為焊接回路的兩處高阻，焊接電流將在這兩個(gè)接觸電阻處產(chǎn)生焦耳能量，如圖1所示。兩電極同時(shí)沿著金屬蓋板邊緣滾動(dòng)，兩電極間經(jīng)過(guò)一系列短的高頻電流，在電極與蓋板接觸點(diǎn)處產(chǎn)生極高的局部熱量，使蓋板熔化、回流，從而形成一個(gè)完整、連續(xù)的縫焊區(qū)域。焊點(diǎn)一個(gè)個(gè)相繼成型，形成一條魚(yú)鱗狀搭接的焊縫。

圖1 平行縫焊系統(tǒng)示意圖

平行縫焊的工藝要求，即回流區(qū)域連續(xù)無(wú)孔隙、無(wú)裂紋，且管殼溫度又不過(guò)高。因此要達(dá)到這樣的工藝要求，縫焊管殼時(shí)控制單脈沖能量，既能夠使金屬熔化，又不會(huì)使管殼過(guò)熱。焊點(diǎn)電流過(guò)大能量就過(guò)大，容易將蓋板焊穿；電流太小就能量太小，焊接不充分，容易留下虛焊。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)優(yōu)化，并得到前工序的配合，平行縫焊過(guò)程中外殼的溫度可以控制在100℃以下。因此平行縫焊通常被認(rèn)為是一種局部高溫、整體低溫的封接技術(shù)。盡管如此，實(shí)際焊接過(guò)程中，焊縫位置的實(shí)際溫度通常都超過(guò)1 000℃，甚至高達(dá)1400～1700℃，以滿(mǎn)足蓋板熔融的條件。過(guò)熱會(huì)引起金屬顆粒膨脹，導(dǎo)致微裂或縫隙。金屬一定要在短時(shí)間內(nèi)熔化、回流，而這個(gè)時(shí)間一定要小于熱量傳輸?shù)綒んw的時(shí)間，這樣才不會(huì)使殼體本身過(guò)熱。

3 焊接參數(shù)分析

3.1 焊點(diǎn)原理

根據(jù)焦耳定律可得以下關(guān)系：

Energy=[Avg·power]×t=V2/Rc×[PW/PRT]×t

(1)

式(1)中V為經(jīng)過(guò)電極的電壓；RC為兩電極與蓋板的接觸電阻；PW為電壓脈沖寬度；PRT為電壓脈沖周期，t為焊接總時(shí)間。電極電壓、接觸電阻、電壓脈沖寬度、電壓脈沖周期、焊接時(shí)間均影響平行縫焊能量。焊接是由一系列的脈沖串實(shí)現(xiàn)的，脈沖寬度和脈沖周期一般要保持不變，兩者的比值會(huì)對(duì)焊接功率產(chǎn)生較大影響。

3.2 焊接系統(tǒng)參數(shù)

焊縫是由一串魚(yú)鱗狀疊壓的焊點(diǎn)組成，焊接需要對(duì)焊接電流分段控制，在圖2中，I1為起始電流，I2為穩(wěn)定加熱電流，I3為緩降后電流，I4為陡降后電流。在t0～t1階段，對(duì)應(yīng)焊縫的起始階段，一般對(duì)應(yīng)焊接器件的直角處，焊點(diǎn)的疊壓面積較大，器件的溫度較低，需要焊接功率快速提升；在t1～t2階段，對(duì)應(yīng)焊縫的前段，也是焊接的穩(wěn)定階段，此時(shí)器件的累積熱量較少，焊接所需要的功率較高，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電流較大；在t2～t3階段，對(duì)應(yīng)焊縫的中段，由于在前面穩(wěn)定加熱階段累積了熱量，所以后段焊接時(shí)適當(dāng)降低焊接電流、降低功率，降低殼體的溫升，保護(hù)內(nèi)部芯片；在t3～t4階段，對(duì)應(yīng)焊縫的后段，此時(shí)電流產(chǎn)生的功率與前期累積的能量滿(mǎn)足焊接的要求，亦不會(huì)出現(xiàn)焊點(diǎn)過(guò)熔和殼體溫升過(guò)高的現(xiàn)象；在t4～t5階段，與起始階段相似，對(duì)應(yīng)焊縫的收尾處，對(duì)應(yīng)焊接器件的直角處，焊點(diǎn)的疊壓面積較大，由于前面熱量的累積，此時(shí)可以降低縫焊電流。

圖2 電流分段圖

3.3 焊接壓力

焊接壓力是通過(guò)電極滾輪作用在蓋板上，使電極與蓋板、蓋板與殼體緊密接觸，接觸點(diǎn)即為焊接的功率產(chǎn)生點(diǎn)。壓力過(guò)小，致使電極與蓋板、蓋板與殼體接觸不可靠，可能造成打火、電傷、冷焊等現(xiàn)象；壓力過(guò)大，可能會(huì)使電極滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯，在焊縫上留下拖拉的劃痕，也可能蓋板焊點(diǎn)過(guò)熔，厚度減薄，影響蓋板的機(jī)械強(qiáng)度和溫度應(yīng)力，對(duì)于陶瓷殼體的器件，壓力過(guò)大可能將封接環(huán)下面的瓷體壓裂最終出現(xiàn)密封性不合格現(xiàn)象；焊接壓力參考值10N，在實(shí)際焊接中根據(jù)焊接系統(tǒng)、焊接殼體、蓋板進(jìn)行調(diào)整。

3.4 焊接速度

焊接速度是指電極滾輪的滾動(dòng)速度，其直接影響焊點(diǎn)的疊壓比例，速度太快可能造成焊點(diǎn)不連續(xù)或疊壓不足，而產(chǎn)生泄漏；速度太慢焊點(diǎn)多次疊壓，焊點(diǎn)金屬多次熔融，會(huì)遺留較大的熱應(yīng)力。焊接速度應(yīng)與電極的角度配合，配合效果主要參考焊點(diǎn)的重疊比例。

3.5 延遲距離

延遲距離主要用于控制電極的爬坡和下坡距離，這兩點(diǎn)發(fā)生在焊接的起點(diǎn)和終點(diǎn)，防止出現(xiàn)接觸不可靠而打火的現(xiàn)象。延遲距離的設(shè)定既要考慮蓋板與殼體的配合，也要考慮電極滾輪的直徑。

4 外殼及夾具的影響

4.1 蓋板設(shè)計(jì)

固態(tài)繼電器應(yīng)采用的蓋板基本為長(zhǎng)方形，存在四個(gè)直角，其形狀分為平板型和禮帽型，對(duì)于金屬殼體的器件這兩種形式的蓋板均有使用，對(duì)于陶瓷殼體的器件基本使用禮帽型蓋板，參考圖3。在蓋板設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)厚度，平板型蓋板的厚度一般為0.1mm～0.25mm，不適用于寬腔體的器件，禮帽型蓋板中間部分凸出，厚度一般為0.4mm，四周邊沿厚度為0.1mm～0.15mm；2)圓角，為防止直角點(diǎn)打火，在蓋板設(shè)計(jì)中通常采用圓角處理，圓角半徑R0.3mm～0.5mm，如R過(guò)大可能造成直角處無(wú)法熔封。3)縮邊配合，在蓋板與殼體配合中，各邊尺寸應(yīng)參照殼體各邊尺寸內(nèi)縮0.08mm～0.15mm，根據(jù)封邊的厚度進(jìn)行調(diào)整，厚度大的內(nèi)縮尺寸越大；4)材料，封接環(huán)或金屬?lài)蛲ǔ２捎描F鎳合金材料加工，因?yàn)殍F鎳合金的膨脹系數(shù)與陶瓷、玻璃的膨脹系數(shù)相近，因此蓋板材料常用鐵鎳合金4J29、4J42、4J50；5)電鍍，由于鐵鎳合金的熔點(diǎn)溫度過(guò)高，且鐵鎳合金的本體雜質(zhì)、砂眼等影響蓋板的縫焊、耐腐蝕能力，因此需要電鍍，常用的電鍍方式為鎳、鎳-金或鎳-金-鎳-金，經(jīng)過(guò)電鍍可降低熔點(diǎn)、提高耐腐蝕能力。

圖3 禮帽型蓋板與殼體配合

4.2 縫焊夾具

合理設(shè)計(jì)封焊夾具能確保器件的縫焊質(zhì)量、可靠性?？p焊夾具要求既能緊固殼體，又不損傷外觀，且方便上下工件。常用的縫焊設(shè)備中使用兩個(gè)定位導(dǎo)柱進(jìn)行固定，夾具設(shè)計(jì)也應(yīng)以導(dǎo)柱定位，進(jìn)行對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，方便平臺(tái)90°旋轉(zhuǎn)后縫焊。夾具要根據(jù)器件外形及尺寸在中心對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)固定器件的凹槽，把殼體固定在縫焊夾具的中心。設(shè)計(jì)夾具的最大要點(diǎn)是殼體中心、夾具中心、兩個(gè)定位孔的中心重合。夾具的材料一般選用鋁材，鋁材具有較大的比熱容，可以防止殼體的過(guò)高的溫升，保護(hù)內(nèi)部芯片。鋁材加工性良好，易于保證加工精度，且成本較低。

5 電極的影響

5.1 電極材料選用

電極是平行縫焊系統(tǒng)的重要組成部分，電極材料的決定著電極特性，電極材料的選擇主要受以下幾點(diǎn)的影響：1)低電阻率，電極需要良好的導(dǎo)電性，在平行縫焊回路中盡量降低回路電阻，而使電極與蓋板、蓋板與殼體的接觸電阻發(fā)揮主要作用，因此需要電極具有較低的電阻值，才能在千安培級(jí)的電流流過(guò)時(shí)(I2R)產(chǎn)生較小熱量損失；2)高導(dǎo)熱率，電極需要有良好的散熱性，縫焊過(guò)程中，熱量會(huì)通過(guò)蓋板、可伐環(huán)傳遞到陶瓷上或通過(guò)可伐殼體傳遞到玻璃絕緣子上，由于陶瓷的熱膨脹系數(shù)與可伐環(huán)不同，可伐殼體的膨脹系數(shù)與玻璃絕緣子不同，散熱不好，就產(chǎn)生了高溫下的應(yīng)力累積，從而使陶瓷與可伐環(huán)之間產(chǎn)生裂縫或可伐殼體與玻璃絕緣子產(chǎn)生微裂紋，造成封裝失效。在金屬中，銀的散熱性和導(dǎo)電性最好，但銀的硬度較低且價(jià)格過(guò)高。而銅的散熱性和導(dǎo)電性?xún)H次于銀，價(jià)格又遠(yuǎn)低于銀，其中紫銅的散熱性和導(dǎo)電性?xún)?yōu)于其他銅合金，但硬度較低。因此，常選用鎢銅、鎬銅等材料作為電極。

5.2 電極角度θ

在平行縫焊中，電極是一種錐型的滾輪，其角度主要是指電極的斜切面與水平面的夾角θ,如圖4所示。在實(shí)際平行縫焊過(guò)程中主要使用的是4°和10°電極。電極角度大小決定了在縫焊過(guò)程中電極與蓋板之間接觸面的大小。角度越小接觸面積越大，電阻R越小，根據(jù)P=I2R可知，阻值下降，焊點(diǎn)所受的功率就減小，從而造成熱量不足，需要增加縫焊電流，以達(dá)到焊接效果。若對(duì)蓋板施加過(guò)大的功率、焊接溫度、時(shí)間都會(huì)在可伐環(huán)局部產(chǎn)生熱積累，會(huì)使陶瓷與柯伐環(huán)之間、蓋板與圍框之間產(chǎn)生裂縫、過(guò)熔現(xiàn)象，造成封裝失效。目前平行縫焊電極多采用10°角度的電極。

圖4 電極與蓋板的夾角

5.3 電極表面粗糙度

電極的表面不光滑、凹凸不平、沾污，在電極的坑洼處與蓋板接觸的瞬間，接觸電阻R增大，使得瞬間電流增大，會(huì)在焊接的瞬間發(fā)生打火現(xiàn)象，使得焊縫不能完好地形成，影響了器件的外觀，更易造成器件密封性不合格。即使器件當(dāng)前密封性合格，在經(jīng)過(guò)篩選后，由于環(huán)境應(yīng)力的相互作用，也會(huì)造成焊點(diǎn)的裂紋，影響器件的密封性、可靠性。由此可見(jiàn)，電極表面的粗糙度、沾污情況對(duì)縫焊質(zhì)量起著重要的作用。

6 平行縫焊工藝要求

氣密性是氣密式密封器件技術(shù)要求的第一考核參數(shù)。密封性檢驗(yàn)按照工藝氣氛不同，分為封入示蹤氣體和未封入示蹤氣體，其檢驗(yàn)方法也有不同。固態(tài)繼電器密封性檢驗(yàn)，主要根據(jù)GJB 548B《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》進(jìn)行，分為封入示蹤氣體和未封入示蹤氣體。

封入示蹤氣體的器件采用一種預(yù)封檢測(cè)氣體的方式進(jìn)行檢漏，即在平行縫焊手套箱內(nèi)，通入按一定比例預(yù)先混合的氮?dú)?氦氣混合氣體作為封帽氣氛，器件在此環(huán)境中進(jìn)行密封，器件腔體內(nèi)封入一定比例的氦氣。如果器件存在氣密性不合格，氦氣將會(huì)從腔體內(nèi)的漏孔處逸出，被氦質(zhì)譜檢漏儀探測(cè)。這種方式的特點(diǎn)是，生產(chǎn)效率高，但需要在完成縫焊后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所有器件的氦氣檢漏過(guò)程，對(duì)檢驗(yàn)的操作時(shí)間要求較高。

未封入示蹤氣體的器件檢驗(yàn)方法有示蹤氣體氦(He)細(xì)檢漏、放射性同位素細(xì)檢漏、碳氟化合物粗檢漏、光學(xué)粗/細(xì)檢漏。固態(tài)繼電器通常采用示蹤氣體氦(He)細(xì)檢漏的試驗(yàn)條件，通常將待檢漏器件放置在一個(gè)符合表1壓力和時(shí)間要求的氦氣壓力罐中進(jìn)行氦轟擊后，取出器件必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)。這種方式是高可靠混合電路、微電子單片集成電路普遍采用的氣密性檢測(cè)方式。

表1 固定條件

表1的執(zhí)行方式為固定方法(試驗(yàn)條件A1)，此外還有靈活方法(試驗(yàn)條件A2)，其方式為選擇適當(dāng)?shù)募訅簤毫?、壓力作用時(shí)間和停頓時(shí)間，使有缺陷的被測(cè)器件測(cè)得的示蹤氣體測(cè)量漏率R1的讀書(shū)大于質(zhì)譜儀的最小檢測(cè)靈敏度。器件應(yīng)至少承受兩個(gè)絕對(duì)大氣壓(202kPa)的氦氣作用。靈活方法適用于試驗(yàn)分析，不適于生產(chǎn)的批次性檢驗(yàn)。測(cè)量漏率R1的公式為：

R1=(L·Rε(MA/M)1/2/PO)·(1-exp(-L·t1/V·PO))·(MA/M)1/2)·exp(-L·t2/(V·PO))·(MA/M)1/2)

靈活方法的失效判據(jù)應(yīng)符合表2的要求。

表3 靈活法失效判據(jù)

粗檢漏的試驗(yàn)通常采用碳氟化合物，將被檢測(cè)器件放置于真空/壓力罐中，把壓力降到小于或等于0.7 kPa，至少保持30 min。然后在不破壞真空的前提下注入足夠量的Ⅰ型檢測(cè)用液體覆蓋器件，并保持真空過(guò)程30min。然后按照表4的規(guī)定對(duì)器件增壓，增壓完成后去除壓力，將器件取出，在空氣中干燥2±1min，而后浸入到125℃的Ⅱ型指示液體中。器件頂部應(yīng)在Ⅱ型指示液體上表面以下至少浸入5cm，在光源的照射下，經(jīng)放大鏡觀察器件是否有氣泡冒出。若觀察到在器件的同一個(gè)位置冒出一串明顯的氣泡或兩個(gè)以上大氣泡，則視為該器件粗檢漏密封性失效。

表4 粗檢漏加壓條件

氦質(zhì)譜儀細(xì)檢漏可以定量檢測(cè)器件的漏率指標(biāo)，但由于該設(shè)備的特性，不能具體定位器件的泄漏點(diǎn)。當(dāng)器件的漏率較大或大漏時(shí)，對(duì)器件內(nèi)部的示蹤氣體檢測(cè)也會(huì)失靈，此時(shí)可通過(guò)粗檢漏測(cè)定。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)固態(tài)繼電器平行縫焊工藝的全過(guò)程進(jìn)行了淺顯的分析、研究，并對(duì)基本熔焊原理簡(jiǎn)要描述。影響器件平行縫焊密封性的因素有很多，本文僅在幾個(gè)主要影響因素進(jìn)行了研究、分析、說(shuō)明，其中包括了平行縫焊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、外殼的配合、蓋板的設(shè)計(jì)、電極的材料選型及加工要求等。這些經(jīng)驗(yàn)和建議對(duì)于其它類(lèi)型的固體繼電器工藝設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。