平行縫焊蓋板鍍層結(jié)構(gòu)的熱分析

蔣 涵，徐中國，蔣玉齊

（1.無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214072；2.中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

平行縫焊是高可靠氣密性陶瓷封裝中最常用的一種封裝形式[1-3]。其工作原理在本質(zhì)上屬于電阻焊，焊接電流通過施加在蓋板邊緣的2個滾輪電極流過蓋板，并形成回路，在電極與蓋板接觸位置通過接觸電阻的作用產(chǎn)生焦耳熱，并傳導到蓋板與焊框接觸位置，使蓋板表面的鍍層局部熔化，凝固后形成焊點。在脈沖式的焊接電流作用下，多個焊點重疊形成焊縫，實現(xiàn)器件氣密性封裝[4-6]。

平行縫焊在鹽霧實驗中經(jīng)常發(fā)生蓋板焊邊腐蝕，其產(chǎn)生原因通常為蓋板表面鍍層在縫焊后由于熔化再凝固、損傷等原因致使可伐（Kovar）基材暴露在鹽溶液環(huán)境中，最終形成原電池腐蝕[7-10]。在不更換蓋板材料的前提下，保證蓋板表面鍍層不被破壞是提高平行縫焊耐鹽霧腐蝕可靠性的最關(guān)鍵因素之一[7,11-12]。

本文重點討論了在陶瓷封裝中運用Abaqus軟件進行平行縫焊蓋板鍍層結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)仿真分析，并給出了相應(yīng)的分析結(jié)果，以期為平行縫焊蓋板鍍層結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接工藝參數(shù)提供一定的理論依據(jù)以及指導。

2 蓋板的熱傳導仿真原理及工藝參數(shù)

2.1 仿真原理簡介

采用有限元仿真方法對平行縫焊過程中蓋板的熱效應(yīng)進行仿真分析，可以方便獲得蓋板及表面鍍層的溫度分布，也便于對不同工藝參數(shù)帶來的影響進行比較。本文采用Abaqus有限元分析軟件對縫焊過程中的蓋板熱效應(yīng)進行了仿真分析，重點比較不同鍍層結(jié)構(gòu)和不同加載條件下蓋板及鍍層的溫度分布。

平行縫焊過程中的熱量主要由脈沖電流流經(jīng)電極與蓋板之間，由于接觸電阻的存在而產(chǎn)生的。脈沖電流和設(shè)備的輸入功率相關(guān)，而接觸電阻與施加壓力、蓋板接觸邊緣鋒利程度以及接觸材料相關(guān)。該熱量會沿著蓋板傳遞，并以溫度的形式表現(xiàn)出來。為了更直觀地了解在平行縫焊過程中的溫度分布情況，本文用溫度作為輸入變量，持續(xù)施加在蓋板邊緣0.030 s，研究在不同溫度邊界條件下，不同鍍層結(jié)構(gòu)蓋板的溫度分布情況，施加的溫度曲線如圖1所示。

圖1 加載溫度曲線示意圖

由于焊接時電極與蓋板之間的溫度與焊接功率基本呈正相關(guān)關(guān)系，因此，該仿真方法對實際的平行縫焊操作生產(chǎn)具有一定的指導意義。

2.2 仿真模型及參數(shù)

為簡化計算，采用1/2二維模型。仿真基于一款10 mm×10 mm的常規(guī)可伐蓋板，其模型由可伐基材和表面鍍層兩部分組成?？紤]電極與蓋板接觸的面積通常較小，初步選擇邊緣寬度50μm作為溫度加載區(qū)域。

本文設(shè)計了Au和Ni/Au 2種鍍層結(jié)構(gòu)，Au的熔點為1063℃，Ni的熔點為1453℃，具體的鍍層結(jié)構(gòu)為Au，厚5μm；Ni/Au，厚5/5μm。

仿真所用材料參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料參數(shù)

本文主要對不同鍍層結(jié)構(gòu)蓋板的熱效應(yīng)進行仿真分析。仿真時，改變輸入的溫度值，比較不同溫度下蓋板及鍍層的溫度分布情況，并選取幾個具有代表性的特征點進行溫度分析，仿真模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。為了簡化仿真過程，忽略傳熱過程中的熱輻射和熱對流，并且忽略鍍層金屬相變帶來的影響。

圖2 仿真模型及網(wǎng)格劃分

3 分析與討論

3.1 Au鍍層的仿真結(jié)果

圖3（a）、（b）給出了傳熱過程中鍍Au蓋板下表面的2個特征點A點和C點的溫度曲線，圖3（c）（d）是這2個特征點到達Au熔點的時間。從圖中可以看到，當加載溫度為1100℃時，蓋板下表面的鍍Au層無法達到熔點；提高加載溫度到1200℃時，A點和C點可以分別在5 ms和9 ms左右的時間內(nèi)達到熔點，意味著在該溫度加載條件下，需要將焊接時間控制在5～9 ms內(nèi)，才能保證蓋板和焊框有效地焊接；隨著溫度進一步提高，從圖3（c）（d）可以看到，A點和C點可以在更短的時間內(nèi)達到熔點，也就是說，蓋板和焊框的焊接時間可以進一步縮短，當溫度達到1600℃時，僅需2 ms左右就能實現(xiàn)蓋板和焊框的焊接。

圖3 鍍Au蓋板中A點和C點的仿真結(jié)果

圖4（a）給出了傳熱過程中鍍Au蓋板上表面的特征點B點的溫度曲線，圖4（b）是B點到達Au熔點和可伐熔點的時間。從圖中可以看到，在加載溫度的范圍內(nèi)，B點在幾微秒左右的時間內(nèi)便達到Au的熔點，表明在該加載溫度范圍內(nèi)，蓋板上表面的鍍Au層會瞬間熔化，并暴露出可伐基底。而當加載溫度超過1500℃時，可伐蓋板也將在幾微秒內(nèi)熔化，暴露出管殼內(nèi)部的芯片。

圖4 鍍Au蓋板中B點仿真結(jié)果

3.2 Ni/Au鍍層的仿真結(jié)果

圖5（a）（b）給出了傳熱過程中Ni/Au蓋板下表面的2個特征點A點和D點的溫度曲線，圖5（c）（d）是這2個特征點到達Au熔點的時間。和Au鍍層的仿真結(jié)果相似，當對可伐蓋板表面做Ni/Au鍍層處理后，并沒有明顯延長蓋板下表面鍍Au層達到Au熔點的時間，當加載溫度為1200℃時，D點達到Au熔點所需時間為11.25 ms，僅比鍍Au蓋板的C點多出2.01 ms，隨著加載溫度的升高，D點達到Au熔點所需時間逐漸下降，當加載溫度達到1600℃時，D點達到熔點僅需1.65 ms，與鍍Au蓋板的C點相差僅0.15 ms。

圖5 鍍Ni/Au蓋板中A點和D點的仿真結(jié)果

圖6（a）（b）給出了傳熱過程中鍍Ni/Au蓋板上表面的特征點B點和C點的溫度曲線，圖6（c）（d）是B點和C點到達鍍層金屬熔點和可伐蓋板熔點的時間?？梢钥吹剑诩虞d溫度的范圍內(nèi)，B點只要幾微秒便達到Au的熔點，和鍍Au蓋板的模擬結(jié)果相似，但不同的是，有限元仿真結(jié)果表明，當加載溫度低于1400℃時，B點無法達到Ni的熔點，只有當加載溫度達到或超過1500℃時，B點才會在幾微秒左右的時間內(nèi)達到Ni的熔點，從而導致鍍Ni層的熔化，隨后在幾十微秒到幾百微秒的時間內(nèi)，使C點達到可伐蓋板的熔點，可伐蓋板開始熔化。

圖6 鍍Ni/Au蓋板中B點和C點的仿真結(jié)果

圖7給出了鍍Ni/Au蓋板有限元仿真結(jié)果的云圖，其中仿真時間選擇的是D點達到Au熔點時的時間?？梢钥吹剑擠點達到Au的熔點時，加載溫度已經(jīng)通過鍍層傳導至可伐蓋板上，因此，如果加載溫度過高，即便可以保證蓋板和焊框的焊接，但由于高溫導致的電極對蓋板及其鍍層的損傷是無法避免的。但當加載溫度控制在1200～1400℃時，蓋板及其鍍層的溫度不會超過Ni或者可伐的熔點，因此在一定程度上能夠避免蓋板及其鍍層的損傷。

圖7 鍍Ni/Au蓋板在不同加載溫度下的有限元仿真結(jié)果云圖

3.3 仿真結(jié)果討論

傳統(tǒng)的平行縫焊中，可伐蓋板采用化學鍍Ni作為表面鍍層，在鹽霧考核時經(jīng)常發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，從而無法通過鹽霧可靠性實驗。為了解決這個難題，早期學者對化學鍍Ni蓋板的平行縫焊焊接工藝做了大量研究，但并沒有得到公認的解決方案。

在平行縫焊工藝中，蓋板與焊框的焊接主要是依靠蓋板和焊框表面鍍層在脈沖功率的作用下熔化和再凝固實現(xiàn)的。因此在實際焊接過程中，焊接時間一定要足夠長，以確保蓋板下表面的鍍層達到熔點。從圖3和5的仿真結(jié)果中可以看到，對表面鍍Au或者表面鍍Ni/Au的蓋板，當對蓋板邊緣施加1200～1600℃的溫度時，蓋板下表面的Au鍍層通常在幾毫秒內(nèi)達到熔點，這個結(jié)果與通常的平行縫焊焊接工藝相一致，表明了本文仿真結(jié)果的可靠性。然而對表面鍍Au的可伐蓋板而言，當施加幾毫秒的焊接溫度時，蓋板上表面的鍍Au層已經(jīng)熔化（見圖4），這說明，單一金屬鍍層在平行縫焊過程中無法保證其完整性，在電極功率產(chǎn)生的高溫下，會瞬間熔化、流動，從而暴露可伐基底，最終導致鹽霧腐蝕?？梢哉J為，單一金屬鍍層的可伐蓋板無法保證平行縫焊耐鹽霧可靠性，這也是平行縫焊中采用傳統(tǒng)化學鍍Ni蓋板無法解決鹽霧腐蝕的根本原因。

當采用Ni/Au鍍層時，相似的，當對蓋板邊緣施加1200～1600℃的溫度時，蓋板下表面的Au鍍層同樣在幾毫秒內(nèi)達到熔點，但不同的是，由于采用了Ni/Au這種復合鍍層，盡管可伐蓋板上表面溫度在瞬時達到了Au的熔點，但當加載溫度不高于1400℃時，蓋板表面的鍍Ni層不會發(fā)生熔化現(xiàn)象，如圖6、7所示，因此在該溫度范圍內(nèi)，Ni/Au鍍層結(jié)構(gòu)不僅可以保證蓋板與焊框的有效焊接，同時能夠有效地保證可伐蓋板不會暴露在環(huán)境中，進而保證了平行縫焊耐鹽霧可靠性。而當加載溫度達到或超過1500℃時，Ni鍍層以及可伐基體會發(fā)生熔化，最終將導致平行縫焊鹽霧腐蝕。

對比可伐蓋板表面鍍Au和表面鍍Ni/Au 2種鍍層結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，表面鍍Ni/Au能夠?qū)⒛望}霧平行縫焊工藝加載溫度范圍拓寬至1200～1400℃，是平行縫焊工藝中鹽霧腐蝕可靠性可選擇的鍍層結(jié)構(gòu)。

平行縫焊過程中單個脈沖產(chǎn)生的熱量Q為：

其中，P是焊接功率，t是脈沖時間。而熱量與溫度的關(guān)系為：

其中，C為焊點材料的比熱熔，M為焊點的質(zhì)量，T1為由于脈沖導致的蓋板升溫，也就是焊接溫度，T0為蓋板初始溫度。

由式（1）和式（2）可知，由于脈沖導致蓋板的溫升，即T1可表達為：

從式（3）中可以看到，焊接溫度與脈沖功率、焊接時間相關(guān)，因此為了實現(xiàn)平行縫焊耐鹽霧腐蝕可靠性，需要控制焊接功率P以及焊接時間t，將焊接溫度控制在1200～1400℃范圍內(nèi)。

將表1中Au和Ni的比熱熔代入到式（3）中，可將式（3）簡化為：

代入焊接工藝中的P、t以及M，即可計算當表面鍍層為Au或Ni時焊點的溫度，有利于對實際產(chǎn)品生產(chǎn)提供一定的指導意義。

值得注意的是，本文的有限元仿真過程中，沒有選擇功率作為加載條件，這是因為實際作業(yè)中的焊接功率與有限元仿真中的加載功率存在一定的差異，并不能完全指導實際生產(chǎn)作業(yè)。而在實際生產(chǎn)作業(yè)中，可以通過測量焊接點的溫度獲得焊接功率與焊點溫度的關(guān)系，因此本文的有限元仿真工作對實際的平行縫焊生產(chǎn)作業(yè)具有一定的指導意義。另一方面，本文在溫度傳導的過程中，僅僅考慮蓋板2D模型內(nèi)的熱傳導，忽略了蓋板另一個方向的熱傳導，仿真結(jié)果與實際情況會有一定差異，但并不影響本文仿真結(jié)果得出的結(jié)論。

4 結(jié)論

本文采用Abaqus有限元分析軟件對平行縫焊2種鍍層結(jié)構(gòu)在加載邊界溫度條件下蓋板以及鍍層的溫度分布進行了仿真，結(jié)果表明，單一金屬鍍層的可伐蓋板鹽霧腐蝕失效的原因是在焊接時間內(nèi)蓋板上表面金屬鍍層熔化，可伐蓋板被暴露到環(huán)境中，最終導致鹽霧腐蝕；而在合理的溫度范圍內(nèi)，復合鍍層結(jié)構(gòu)能夠在保證蓋板與焊框有效焊接的基礎(chǔ)上，保證蓋板上表面底層鍍層的完整性，從而保證可伐蓋板不被暴露在環(huán)境中，進而保證平行縫焊器件的耐鹽霧腐蝕可靠性。對于表面鍍Ni/Au的可伐蓋板，控制其焊接工藝溫度區(qū)間為1200～1400℃有希望實現(xiàn)平行縫焊耐鹽霧腐蝕性。