氣密性平行封焊技術(shù)研究進(jìn)展

姜廷宇，王 成，陳 澄，孫乎浩，薛恒旭，袁正昊

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

隨著航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)現(xiàn)代軍民電子裝備的可靠性提出了越來(lái)越高的要求。氣密性封焊是提高混合集成電路、微電子器件可靠性的有效手段之一，目前針對(duì)器件的常用氣密性封焊技術(shù)有焊料焊接、激光封焊及平行封焊等。其中焊料焊接一般采用Au80Sn20焊料片，焊接溫度較高且容易產(chǎn)生焊接多余物，不適用于含有低溫焊料且存在不耐高溫電路元件的產(chǎn)品[1]。激光封焊熱影響區(qū)小，焊接路徑選擇靈活，適用于不同形狀盒體，但其對(duì)盒體及蓋板加工精度要求較高，且生產(chǎn)效率低[2]。平行封焊適用于可伐等高熱阻材料，焊接過(guò)程局部加熱，焊接質(zhì)量良好，生產(chǎn)效率高，在自動(dòng)化生產(chǎn)方面得到廣泛應(yīng)用。

雖然目前平行封焊技術(shù)已比較成熟，但焊接過(guò)程影響因素眾多(如工藝參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸等)，任意控制參數(shù)改變均會(huì)影響焊接質(zhì)量，因平行封焊缺陷所導(dǎo)致的產(chǎn)品可靠性問(wèn)題也屢見(jiàn)不鮮，因此有必要對(duì)平行封焊技術(shù)作較為系統(tǒng)的論述。

1 平行封焊工作原理及分類(lèi)

1.1 平行封焊原理

平行封焊本質(zhì)是一種電阻焊，圖1所示為其封焊原理圖。將待封焊的蓋板對(duì)齊放置在金屬?lài)蛏喜⒂脢A具固定，一對(duì)錐形滾輪電極對(duì)蓋板邊緣施加一定壓力，由逆變電源產(chǎn)生的脈沖電流自一側(cè)滾輪電極分為兩股電流分別流經(jīng)蓋板及盒體，最后經(jīng)另一個(gè)電極回到逆變電源構(gòu)成回路。由等效電路計(jì)算可知，整個(gè)電路的高阻區(qū)在電極與蓋板接觸位置[3]，熱量由該位置經(jīng)蓋板傳遞至蓋板與圍框接觸面，使接觸處鍍層熔化，待凝固后形成獨(dú)立焊點(diǎn)。隨著電極的滾動(dòng)，逐漸形成魚(yú)鱗狀搭接焊點(diǎn)，圖2所示為焊點(diǎn)示意圖，一連串焊點(diǎn)相互交疊形成氣密性焊縫，可以有效隔絕潮氣及腐蝕性氣體，因此該工藝過(guò)程也被稱(chēng)為“平行縫焊”。

圖1 平行封焊原理圖

圖2 焊點(diǎn)示意圖

1.2 平行封焊分類(lèi)

平行封焊技術(shù)因其生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好得到廣泛應(yīng)用，但由于受到封焊設(shè)備的限制，工作臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，其一般適用于形狀規(guī)則的盒體封焊。根據(jù)焊接軌跡分類(lèi)，平行封焊一般可分為方形焊、圓形焊及陣列焊。方形焊通常適用于矩形管座，點(diǎn)焊后焊接蓋板的2條對(duì)邊，之后工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，在垂直方向焊接另外2條對(duì)邊。對(duì)于圓形或橢圓形管座，只需將工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)185°即可完成封焊，因圓形封焊具有較好的穩(wěn)定性，因此也可以用來(lái)封焊電極寬度大于對(duì)角線(xiàn)與短邊差的一半的小型矩形盒體[4]，其焊接示意圖如圖3所示。

圖3 矩形器件圓形焊接方式

與矩形器件圓形焊接方式工作原理相似，也有研究人員采用圓形焊接(見(jiàn)圖4)的八邊形異形結(jié)構(gòu)盒體，并對(duì)電極結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的封焊效果。

圖4 異形結(jié)構(gòu)圓形焊接方式

陣列焊與方形焊原理相同，將多個(gè)待封焊的器件陣列排布，一次性封焊所有蓋板長(zhǎng)邊，將工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，再封焊所有短邊， 通過(guò)陣列焊可以大大提高平行封焊的效率，提升產(chǎn)品的一致性，同時(shí)也對(duì)設(shè)備的精度及焊接操作提出了更高的要求。

2 平行封焊工藝流程

圖5所示為平行封焊焊接流程圖，封焊前需對(duì)器件進(jìn)行清洗，去除表面油漬、污垢及其他雜質(zhì)，為去除腔體內(nèi)水汽及氧氣含量，對(duì)盒體進(jìn)行加熱并抽真空。封焊過(guò)程中充以氮?dú)猓罁?jù)不同的焊接方式，參照?qǐng)D5所示的工藝流程使器件在保護(hù)氣氛下焊接[5]。

圖5 平行封焊焊接流程圖

封焊完成后，從交換箱中取出產(chǎn)品，目檢封蓋質(zhì)量，對(duì)外觀檢測(cè)合格的產(chǎn)品進(jìn)行氣密性測(cè)試。氣密性測(cè)試應(yīng)先進(jìn)行細(xì)檢再進(jìn)行粗檢，其中細(xì)檢通常指氦質(zhì)譜檢漏，將器件放入氦氣罐中并抽真空，然后用氦氣對(duì)器件加壓并保持一定時(shí)間，將元器件取出并放入檢漏盒中，通過(guò)檢測(cè)器件腔內(nèi)逸出氦氣的量來(lái)判斷氣密性。粗檢過(guò)程是將被檢產(chǎn)品浸沒(méi)在輕氟油中，并用氮?dú)鈱?duì)其加壓，卸壓并取出被檢件后，將其浸入已加熱的重氟油中，若有連續(xù)小氣泡或個(gè)別大氣泡產(chǎn)生，則可判定為漏氣。

此外，為避免腔體內(nèi)多余物對(duì)封裝器件使用過(guò)程中產(chǎn)生影響，還需對(duì)封焊完的產(chǎn)品進(jìn)行顆粒碰撞噪聲檢測(cè)(PIND)。

3 焊接質(zhì)量控制參數(shù)

雖然平行封焊技術(shù)已較為成熟，但若控制不當(dāng)，仍會(huì)造成諸如偏蓋、打火、蓋板腐蝕、漏氣、產(chǎn)生焊接多余物、焊縫斷線(xiàn)、絕緣子炸裂、芯片失效等影響封焊質(zhì)量的后果，為了解決上述問(wèn)題，研究人員對(duì)平行封焊質(zhì)量控制參數(shù)進(jìn)行了大量研究。

3.1 焊接材料及結(jié)構(gòu)

目前廣泛使用的封裝盒體底座圍框材料為4J29可伐合金或氧化鋁陶瓷，為了與底座材料有較好的熱膨脹系數(shù)匹配，封焊蓋板一般選用4J42鐵鎳合金。4J29與4J42合金熔點(diǎn)均在1 450 ℃上下，采用化學(xué)鍍鎳合金(熔點(diǎn)880 ℃)或鍍純金(熔點(diǎn)1 063 ℃)可以有效降低焊接溫度，但為了獲得良好的密封效果，蓋板與盒體接觸面溫度通常在1 000 ℃以上，鍍層在封焊中熔化、凝固過(guò)程可能暴露出可伐基體材料，導(dǎo)致產(chǎn)品耐腐蝕能力下降。為此，有研究表明，在蓋板表面鍍鎳金，其中金鍍層可以確保有效的焊接，鎳鍍層作為保護(hù)層可以防止可伐基體暴露于空氣，提高了平行封焊產(chǎn)品的耐鹽霧腐蝕能力[6-7]，圖6所示為鍍鎳金蓋板示意圖。

圖6 平行封焊蓋板鍍層示意圖

平行封焊對(duì)蓋板及盒體的加工精度有較高的要求，其裝配公差應(yīng)在±0.03 mm之內(nèi)。為解決封焊過(guò)程中偏蓋現(xiàn)象，將蓋板設(shè)計(jì)成圖1所示的階梯型可有效解決上述問(wèn)題。蓋板及盒體角部倒圓角處理，保證蓋板有良好的平整度且表面無(wú)污染，可以大大減小打火概率，同時(shí)也利于封焊過(guò)程的散熱。部分產(chǎn)品在封焊時(shí)出現(xiàn)鍍層熔化溢蓋、產(chǎn)生焊接多余物等現(xiàn)象，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮增大盒體圍框厚度。

3.2 工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)是焊接成品率的重要影響因素，平行封焊過(guò)程總能量可以由下式確定：

(1)

式中，P為焊接功率；PW為脈沖寬度；L為焊接長(zhǎng)度；PRT為脈沖周期；S為封焊速度[8]。

焊接能量公式中，脈寬與周期一般不輕易變動(dòng)，因此一旦焊接長(zhǎng)度確定，通?？梢愿淖冸姌O壓力、焊接功率及封焊速度等參數(shù)來(lái)調(diào)整焊接效果。

1)電極壓力。

電極壓力可以使蓋板與盒體有良好的接觸，有助于熱量的傳遞，若電極壓力過(guò)小，可能會(huì)因接觸不良而產(chǎn)生打火現(xiàn)象，但壓力增大會(huì)降低接觸電阻，導(dǎo)致蓋板與盒體接觸點(diǎn)所分得的功率減少，消耗在底座及蓋板的能量增加，因此合理的做法是在增加電極壓力的同時(shí)適當(dāng)增大焊接電流。

2)焊接功率。

在其余工藝參數(shù)確定的情況下，焊接功率受焊接電流直接影響。焊接功率過(guò)小，鍍層不完全熔化，焊接面潤(rùn)濕不佳，容易產(chǎn)生焊縫斷線(xiàn)等導(dǎo)致漏氣的現(xiàn)象。功率太大可能會(huì)出現(xiàn)焊料溢蓋而產(chǎn)生焊接多余物、側(cè)壁玻璃絕緣子炸裂等現(xiàn)象，特別是針對(duì)陶瓷器件，因其導(dǎo)熱性較差，不易散熱，且屬于脆性材料，當(dāng)焊接功率較大時(shí)，盒體升溫較快，容易出現(xiàn)瓷體裂紋或蓋板燒蝕等現(xiàn)象，同樣會(huì)導(dǎo)致氣密性檢測(cè)不合格[9]。

3)封焊速度。

焊接速度也是影響平行封焊成品率的重要控制參數(shù)之一，焊接速度過(guò)快，焊點(diǎn)重疊率低，可能產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象；焊接速度過(guò)慢，能量長(zhǎng)時(shí)間聚集，盒體升溫較高，且焊接軌跡不平整，特別是針對(duì)目前多芯片組件、混合集成電路等小型化、輕量化的需求，封焊產(chǎn)品體積大幅減小，盒體溫升更為明顯。通常焊點(diǎn)重合量控制在焊點(diǎn)直徑的1/3～1/4可以得到最佳封焊效果，因此可以首先確定焊接功率，根據(jù)焊點(diǎn)大小調(diào)節(jié)選擇合適焊接速度。

通過(guò)上述研究可知，封焊過(guò)程的升溫有助于焊接，雖然平行封焊屬于局部加熱，但對(duì)于體積較小或盒體內(nèi)部有不耐高溫的產(chǎn)品，需要嚴(yán)格控制盒體溫升。為了獲得最佳焊接溫度，可以選擇使用如AD590溫度傳感芯片測(cè)量盒體某處溫升[10]，或者在盒體內(nèi)部粘貼不同熔點(diǎn)的焊料片，通過(guò)調(diào)節(jié)封焊工藝參數(shù)，觀察焊料片是否熔化來(lái)粗略測(cè)量焊接溫度。

以某產(chǎn)品為例加工測(cè)試樣品，測(cè)試圍框選用4J29可伐合金，尺寸為15 mm×12 mm，測(cè)試蓋板選用4J42鐵鎳合金，厚度為0.1 mm。通過(guò)試焊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接功率為2.1 kW、焊接速度為4 mm/s、電極壓力為10 N時(shí)，封焊效果最好，且無(wú)器件失效，開(kāi)蓋后未發(fā)現(xiàn)焊接多余物，氣密性滿(mǎn)足GJB 548B—2005方法1014要求。按照此最優(yōu)工藝參數(shù)，單人操作每小時(shí)可以封焊約60個(gè)產(chǎn)品，相較于激光封焊有很高的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及正確的工藝參數(shù)選擇下，平行封焊已成為現(xiàn)階段微電子器件氣密性封裝高效、穩(wěn)定的工藝技術(shù)。其中，各工藝參數(shù)間相互影響，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生其他方面的問(wèn)題，因此不能盲目地套用能量公式，這就需要設(shè)計(jì)師及操作人員對(duì)平行封焊有深刻的認(rèn)識(shí)，在封焊正式產(chǎn)品前應(yīng)進(jìn)行試封試驗(yàn)，優(yōu)選出合理的參數(shù)組合。

隨著當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)日益緊張，我國(guó)對(duì)軍民電子產(chǎn)品的外觀、性能、可靠性等方面提出了更高的要求，因此，平行封焊技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間，既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，以下是筆者的幾點(diǎn)思考。

1)受限于當(dāng)前主流平行封焊工作臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，難以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀盒體的封焊，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的局限性。日本某公司研制的平行封焊工作臺(tái)可以通過(guò)伺服馬達(dá)實(shí)現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)，能夠進(jìn)行異形盒體的封焊作業(yè)，但該設(shè)備成本過(guò)高，因此沒(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用。在今后的發(fā)展中，可以考慮研制可實(shí)現(xiàn)不規(guī)則盒體封焊的設(shè)備，在不大幅增加生產(chǎn)成本的前提下，實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)產(chǎn)品的封焊。

2)為獲得最佳平行封焊工藝參數(shù)組合，往往需要進(jìn)行試焊工作，耗費(fèi)大量人力、物力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元等數(shù)值分析方法在科學(xué)研究及工程應(yīng)用等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，因此可以通過(guò)有限元仿真模擬平行封焊過(guò)程，探究工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量及盒體升溫之間的聯(lián)系，為試焊提供一定的理論指導(dǎo)，降低試驗(yàn)成本。

3)平行封焊過(guò)程中需要使用夾具對(duì)盒體進(jìn)行固定，夾具固定方式及結(jié)構(gòu)需根據(jù)具體產(chǎn)品確定，而平行封焊產(chǎn)品多為小批量多種類(lèi)生產(chǎn)，為每一種產(chǎn)品獨(dú)立配備工裝夾具無(wú)疑耗費(fèi)大量成本，因此為不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)如帶有滑塊或螺旋頂針等兼容性?shī)A具是今后平行封焊技術(shù)的一大發(fā)展方向。