管殼類(lèi)產(chǎn)品縫焊過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題分析及解決方法

閆旭冬，李文浩，王 雁

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所， 山西太原 030024)

全自動(dòng)平行縫焊設(shè)備是微波器件、混合集成電路及光電器件等高氣密性封裝工藝的后道必需設(shè)備，可滿(mǎn)足電子器件小型化、高可靠及長(zhǎng)壽命等管殼封裝工藝技術(shù)要求。

使用全自動(dòng)平行縫焊設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行陣列封裝時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)品的焊接質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這是因?yàn)槿绻诤附舆^(guò)程中發(fā)生焊接質(zhì)量問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)影響核心部件電極輪的表面質(zhì)量，進(jìn)而造成后續(xù)產(chǎn)品連續(xù)報(bào)廢。

因此，本文總結(jié)了陣列焊接過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)及解決方法，為降低產(chǎn)品在設(shè)備傳輸過(guò)程中被靜電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了需要增加相應(yīng)的措施。

1 平行縫焊工藝

平行縫焊是一種電阻焊，是熔化焊的一種，采用雙點(diǎn)平行焊方式，通常用2 個(gè)錐形的滾輪電極與金屬蓋板接觸后形成閉合回路。焊接過(guò)程中焊接電流的流動(dòng)方式如圖1 所示。焊接電流形成的脈沖電流在接觸電阻R1處（即電極與蓋板接觸處）產(chǎn)生大量的熱，由于熱量集中，使接觸處鍍層熔化，而產(chǎn)品母材不熔化，凝固后形成一連串外部及內(nèi)部均為互相交疊的焊點(diǎn)，進(jìn)而形成氣密性封裝[1-2]。焊接后實(shí)物產(chǎn)品如圖2 所示，在管殼邊緣形成一道致密的相互重疊的連續(xù)焊點(diǎn)，從而保證管殼整體具備很高的氣密性。

圖1 縫焊電路原理

圖2 焊接產(chǎn)品實(shí)物

2 常見(jiàn)縫焊質(zhì)量問(wèn)題及解決方法

2.1 打火導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢

由于電極輪焊接打火而造成的產(chǎn)品報(bào)廢，如圖3 所示，可明顯觀察到在長(zhǎng)邊方向有一處較大的焊痕異常。陣列縫焊過(guò)程中，若電極輪在隨機(jī)焊接某只產(chǎn)品時(shí)發(fā)生嚴(yán)重打火情況（原因可能是蓋板表面臟污或電極受力不均勻?qū)е聝蓚€(gè)電極輪壓到產(chǎn)品上的壓力差過(guò)大），電極輪的焊接圓錐面將發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害，如發(fā)生坑狀損壞。如不及時(shí)更換新的電極，將對(duì)后續(xù)所有產(chǎn)品焊接質(zhì)量造成不可逆的影響，造成產(chǎn)品連續(xù)報(bào)廢，最終嚴(yán)重影響成品率。

圖3 打火報(bào)廢產(chǎn)品

基于上述產(chǎn)生不良品情況，本文提出對(duì)陣列焊接過(guò)程中對(duì)每只產(chǎn)品焊接過(guò)程中施加的電特征參數(shù)及電極受反向壓力波動(dòng)進(jìn)行采集并做數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而總結(jié)出正常焊接和異常焊接對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍，最終當(dāng)出現(xiàn)焊接質(zhì)量異常時(shí)，通過(guò)異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)作出反饋。為驗(yàn)證解決方案的可行性，進(jìn)行了工藝現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

工藝現(xiàn)場(chǎng)使用絕緣膠對(duì)試驗(yàn)用空管殼某一邊表面施加不同面積大小的人為污損，并進(jìn)行焊接，通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到如下結(jié)論：當(dāng)人為涂抹絕緣膠的面積較小時(shí)，會(huì)發(fā)生較小程度的打火情況，反饋的電流及電壓信號(hào)的尖端波動(dòng)值較小。反之，當(dāng)人為涂抹絕緣膠的面積較大時(shí)，會(huì)發(fā)生較大程度的打火情況，反饋的電流及電壓信號(hào)的尖端波動(dòng)值隨之增大。

對(duì)應(yīng)圖3 中產(chǎn)品發(fā)生較大程度打火時(shí)，對(duì)反饋電流、電壓、電阻、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，如圖4 所示。由圖4 可清晰地看出，電流及功率參數(shù)在焊接過(guò)程中出現(xiàn)了突變數(shù)據(jù)。

圖4 打火反饋數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)某種產(chǎn)品上千組焊接參數(shù)的采集分析，最終選用電阻標(biāo)準(zhǔn)差用于判斷打火報(bào)警狀態(tài)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同產(chǎn)品焊接正常與異常狀態(tài)下電阻標(biāo)準(zhǔn)差大小，確定該值的最佳閾值。當(dāng)實(shí)時(shí)值高于此閾值時(shí)，上位界面出現(xiàn)報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行相關(guān)手動(dòng)操作（更換電極輪耗材）。報(bào)警解除后，繼續(xù)批量焊接產(chǎn)品。

2.2 焊痕均勻性不穩(wěn)定

平行縫焊焊接產(chǎn)品某一對(duì)邊時(shí)，正常焊接成品的焊痕是均勻的魚(yú)鱗紋排布（見(jiàn)圖2）。但在焊接某些大尺寸產(chǎn)品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)某一邊的焊痕不清晰，甚至出現(xiàn)焊痕斷裂排布的情況[3]。如圖5 所示，管殼左右兩側(cè)的焊痕寬度不一，另外焊痕的致密程度也發(fā)生不一致的情況。

圖5 焊痕不穩(wěn)定產(chǎn)品

通過(guò)壓力試驗(yàn)分析，平行縫焊過(guò)程中如果施加到管殼長(zhǎng)邊（或短邊）兩端的壓力與設(shè)定值差距較大，最終縫焊會(huì)造成一次縫焊而兩端焊痕明顯不一致的情況發(fā)生，因此縫焊過(guò)程中對(duì)焊接壓力的監(jiān)控尤為重要。 尤其是當(dāng)施加到管殼兩側(cè)的壓力差大于50 g 后，焊痕一致性的問(wèn)題更加突出。

通過(guò)對(duì)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)某產(chǎn)品的兩側(cè)焊接壓力進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)定二者差值變化閾值（如50 g），當(dāng)實(shí)時(shí)值超出此閾值時(shí)，上位界面出現(xiàn)報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行相關(guān)手動(dòng)操作。報(bào)警解除后，繼續(xù)批量焊接產(chǎn)品，如圖6 所示為焊接壓力監(jiān)控界面。

圖6 焊接壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

此外，對(duì)于某些大尺寸產(chǎn)品，尤其需要采取大能量焊接的產(chǎn)品，由于焊接過(guò)程中自身存在較大幅度的持續(xù)震動(dòng)，勢(shì)必引起與焊接電極輪相接觸的彈簧產(chǎn)生大幅度的共振波動(dòng)，從而造成長(zhǎng)邊（或短邊）兩端的焊接壓力差值差異變大。因此，如果在現(xiàn)場(chǎng)工藝許可的情況下，可將彈簧施加焊接壓力的方式更換為定額砝碼方式，此方法的優(yōu)勢(shì)在于電極輪在滾動(dòng)焊接過(guò)程中，始終以恒定的壓力作用于產(chǎn)品兩側(cè)。另外值得注意的是，砝碼施加壓力的方式在部分進(jìn)口設(shè)備中得到廣泛使用。

2.3 產(chǎn)品電性能測(cè)試失效原因分析

通過(guò)對(duì)大批量產(chǎn)品焊接后電性能的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部芯片存在失效的情況。經(jīng)過(guò)對(duì)蓋板拆除后進(jìn)行清零分析，部分電性能不達(dá)標(biāo)的根本原因在于產(chǎn)品在設(shè)備內(nèi)傳輸過(guò)程中受到較大靜電影響，導(dǎo)致芯片被擊穿。因此產(chǎn)品在設(shè)備內(nèi)部傳輸及焊接過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)備自身的防靜電有所規(guī)范。尤其是與產(chǎn)品直接接觸的工裝表面電阻值應(yīng)該滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)104～109 Ω。

為了滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)以下項(xiàng)目做嚴(yán)格規(guī)范：針對(duì)鋁制工裝，可對(duì)其表面進(jìn)行硬質(zhì)氧化處理，鍍層厚度控制于30～50 μm，圖7 所示為工裝表面電阻值的測(cè)量情況。此工裝表面鍍層厚度為30 μm，經(jīng)測(cè)試表面電阻值為3.28×108Ω，滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，設(shè)備內(nèi)（含門(mén)板、外殼）固定金屬部件接地電阻小于4 Ω，移動(dòng)金屬部件接地電阻小于100 Ω。如圖8 所示，對(duì)設(shè)備內(nèi)仰視視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接地電阻測(cè)試，電阻值為0.8 Ω，滿(mǎn)足行業(yè)要求。

圖7 表面電阻值測(cè)量

圖8 接線(xiàn)電阻測(cè)試

最后需要經(jīng)過(guò)對(duì)各運(yùn)動(dòng)在靜止及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行EMI 測(cè)試，峰值均應(yīng)小于15 V，尤其需要注意設(shè)備處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)試值。如圖9 所示，對(duì)上料部分移動(dòng)單元以5 mm/s 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該部件的EMI 值，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，峰值為10 V，滿(mǎn)足行業(yè)要求。若該值即使在接地處理后仍然不滿(mǎn)足要求，需要對(duì)電機(jī)等動(dòng)力線(xiàn)增加磁環(huán)屏蔽。

圖9 設(shè)備 EMI 測(cè)試

上述檢測(cè)方法及微電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求同樣適用于管殼前道工藝，如高精度貼片、引線(xiàn)鍵合等生產(chǎn)過(guò)程中。整個(gè)封裝工藝過(guò)程中，需保證設(shè)備自身的防靜電規(guī)范，從而降低管殼產(chǎn)品被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，保證最終的成品率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了全自動(dòng)縫焊設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。并且針對(duì)性地提出了相應(yīng)的解決方案，經(jīng)驗(yàn)證提高了管殼高氣密性封裝的成品率。