徐 煬，李茂松，倪乾峰

（中國電子科技集團公司第24研究所，重慶 400060）

1 引言

平行縫焊是一種使器件整體溫升較小、溫升持續(xù)時間短、可靠性高的封帽方式，普遍用于陶瓷外殼封裝和金屬外殼封裝[1]。但是，伴隨著器件體積越來越小，平行縫焊所產(chǎn)生的能量足以使器件溫度短時間上升到一定的程度，使器件內(nèi)部的粘接材料分解或者二次熔化，造成器件內(nèi)部氣氛失效、剪切強度失效或者PIND失效。這些失效方式不能通過肉眼觀察等手段提前發(fā)現(xiàn)，只能通過后期考核實驗發(fā)現(xiàn)，對器件本身來說是致命的，同時也造成產(chǎn)品批量失效，造成重大的經(jīng)濟損失。

所以，外殼封裝時，需要充分考慮參數(shù)對器件整體溫升的影響，避免因器件溫升過高導(dǎo)致的批量產(chǎn)品失效的情況發(fā)生。

2 平行縫焊簡介

平行縫焊是一種電阻焊，主要利用多個單焊點相互串聯(lián)、重疊而形成密封。焊接示意圖如圖1所示，焊點示意圖如圖2所示。

平行縫焊可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，但其總能量主要由以下幾個工藝參數(shù)決定：焊接功率（P）、脈沖寬度（PW）、脈沖重復(fù)時間（PRT）、焊接速度（S）以及焊接長度（L）[2]。為了研究平行縫焊對殼體溫升的影響，需要對能量公式進行一個簡單的了解，總能量和單位長度的能量可以表示為式（1）和式（2）：

上述能量公式所計算出的能量代表設(shè)備所釋放出的總能量。

圖1 焊接示意圖

圖2 焊點示意圖

在縫焊過程中，蓋板邊緣與底座封接環(huán)之間產(chǎn)生一個接觸電阻R，蓋板與底座封接環(huán)接觸處產(chǎn)生的熱量可以由焦耳定律 得出[3]。由于蓋板與底座封接環(huán)之間的接觸電阻是一個變化值，受表面粗糙度（潔凈度）、壓力以及接觸面積等的影響，進而對接觸電阻R產(chǎn)生影響，從而影響施加在電路上的能量。

3 溫升定量測量方法簡介

本研究主要采用AD公司的AD590溫度傳感器芯片進行測試。AD590線性電流輸出為1 μA/K，溫度測試范圍為-55 ～150 ℃，驅(qū)動電壓為4 ～30 V。

3.1 測試樣品制備

利用金錫焊料將AD590芯片（1.6 mm×1.6 mm×0.3 mm）以燒結(jié)的方式貼裝在外殼內(nèi)，并采用30 μm金絲對樣品進行鍵合。在樣品實際制備過程中，考慮到需要盡可能真實地反映外殼封帽時的溫升情況，故AD590芯片采用燒結(jié)方式貼片，并且貼放在靠近外殼邊緣的位置（此位置離縫焊邊緣最近，能反映出外殼溫升的真實情況）。

貼裝方式如圖3所示。

圖3 貼裝示意圖

3.2 測試平臺和原理

測試時，將電壓源、六位半數(shù)字萬用表和測試用樣品通過導(dǎo)線進行串聯(lián)，在樣品封帽過程中時刻關(guān)注數(shù)值萬用表的電流輸出值。此數(shù)值即表示此刻芯片的溫度值，同時也表征AD590芯片貼片處最大值，另外也能反映出殼體此刻的溫度。

當(dāng)顯示數(shù)值達到最高點并穩(wěn)定時，記錄下該數(shù)值，即代表AD590芯片所達到的最高溫度值，此數(shù)值即代表殼體的最高溫度。例如靜態(tài)測試時，儀表上顯示值為298 μA，即芯片溫度為298 K，此時的芯片溫度即為環(huán)境溫度，換算成攝氏溫度為298-273=25 ℃。

4 溫升影響研究

4.1 實際測量與結(jié)果

本次測量主要反映相同平封工藝參數(shù)對不同體積外殼的溫升影響，以及相同能量輸出的情況下，不同平封工藝參數(shù)組合對殼體溫升的實際影響。

測試1：采用相同工藝參數(shù)對不同腔體體積外殼封帽，并連續(xù)進行兩次封帽，測試外殼溫升情況。

本實驗采用3種體積不同的外殼，外殼型號分別為MQ1616、UP2520以及MQ3728，外殼體積及封帽所使用的參數(shù)如表1所示。

根據(jù)式（2）可以計算出，采用上述參數(shù)封帽參數(shù)的單位長度能量為（2 200×7）/（50×7）=44（J/mm）。

利用AD590溫度傳感器上述方案進行測試，外殼溫升結(jié)果如表2所示。

表1 外殼體積及封帽參數(shù)

從表2可以看出，采用相同的工藝參數(shù)對不同體積外殼進行封帽，其外殼溫升不同，隨著外殼體積的增加，外殼溫升越小。從實際測量情況來看，當(dāng)封帽完成的瞬間，外殼溫升并沒有達到最高值，通常在封帽完成后的5 s內(nèi)溫度達到最大值。

表2 外殼溫升結(jié)果

測試2：采用不同工藝參數(shù)（設(shè)備釋放總能量相同）對相同外殼進行封帽，并測試外殼溫升情況。

本次試驗采用MQ2520金屬外殼進行試驗，采用表3參數(shù)進行試驗。

表3 封帽參數(shù)及單位長度能量

通過AD590溫度傳感器對其進行測量，第一組溫度為50～60 ℃，第二組溫度為 70～80 ℃，第三組溫度為 80～90 ℃。

通過上述參數(shù)以及溫度進行對比可以發(fā)現(xiàn)，即使設(shè)備釋放出相同能量，但由于速度和重復(fù)時間組合不同，導(dǎo)致外殼的整體溫升不同。通常情況下，速度越快，重復(fù)時間越短，外殼溫升越高。

4.2 水汽結(jié)果測試法

本試驗采用體積較小的DH08外殼進行試驗，并采用絕緣漆對電路進行粘接。兩組樣品按照絕緣漆要求的常規(guī)工藝同時貼片、固化以及封前烘培，以保證兩種樣品封帽前狀態(tài)一致。樣品封帽時采用兩種不同參數(shù)對樣品進行封帽：其中一組參數(shù)為常規(guī)封帽參數(shù)，另外一組為非常規(guī)工藝參數(shù)，但兩組封帽參數(shù)按照能量公式所計算出的總能量相同。封帽后對樣品進行密封檢測，然后對兩組樣品同時進行水汽測試，觀察樣品內(nèi)部氣氛的情況。封帽參數(shù)如表4所示。

表4 封帽參數(shù)

按照上述兩組參數(shù)各投入3只（第1組編號為1-1～1-3，第2組編號為2-1～2-3）樣品進行封帽和氣密性檢測。樣品全部滿足氣密性要求，通過顯微鏡進行觀察，發(fā)現(xiàn)采用參數(shù)2的樣品熔化效果明顯好于采用參數(shù)1的樣品熔化效果。水汽檢測結(jié)果如表5所示。

表5 水汽檢測結(jié)果

從表5可以看出，采用參數(shù)1和參數(shù)2同時加工的樣品，其內(nèi)部氣氛有很大的區(qū)別。采用參數(shù)1的3只樣品內(nèi)部水汽、二氧化碳以及氫氣含量明顯偏高，是第二組樣品的10倍?？紤]到兩組樣品封前狀態(tài)一致，并同時在同一臺設(shè)備上進行封帽，因此造成這些差別的主要原因是外殼體積不同，封帽所產(chǎn)生的熱量累積不同，使外殼溫升不同。參數(shù)1所封帽的外殼溫升較大，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部的絕緣膠粘接材料再次釋放大量的水汽，造成水汽檢測結(jié)果大于5 000×10-6。

另外，雖然兩組參數(shù)通過式（2）所計算出單位長度能量相同，但外殼封接環(huán)熔化效果以及外殼整體溫升不同，故式（1）和（2）所計算出的能量只能作為一個參考，還必須綜合考慮加工速度以及外殼整體溫升情況。

4.3 燒結(jié)材料封帽前后形貌測試法

本實驗采用體積較小的F08-05外殼進行實驗，其內(nèi)腔體積約為0.01 cm3，兩組樣品按鉛錫銀焊料要求的常規(guī)工藝同時貼片和封前烘培，以保證兩種樣品封帽前狀態(tài)一致，但樣品封帽時采用兩種不同參數(shù)進行封帽：其中一組參數(shù)為常規(guī)封帽參數(shù)，另外一組為非常規(guī)工藝參數(shù)，按照能量公式對兩組參數(shù)總能量進行計算，常規(guī)參數(shù)總能量略大于非常規(guī)工藝參數(shù)總能量，封帽后對樣品開蓋檢測其內(nèi)部的燒結(jié)材料是否有二次熔化的情況。封帽參數(shù)如表6所示。

表6 封帽參數(shù)

按照上述兩組參數(shù)各投入2只（第1組編號為1-1～1-2，第2組編號為2-1～2-2）樣品進行封帽和氣密性檢測。樣品全部滿足氣密性要求，通過顯微鏡進行觀察，發(fā)現(xiàn)采用參數(shù)2的樣品熔化效果也明顯好于采用參數(shù)1的樣品熔化效果。封帽前樣品燒結(jié)情況鋪展情況如圖4所示，封帽后兩組樣品焊料二次熔化情況如圖5所示。

圖4 封帽前焊料形貌

從圖5可以看出，采用第1組參數(shù)封帽的樣品，其內(nèi)部燒結(jié)材料已經(jīng)發(fā)生二次熔化，并且侵蝕了鍵合接地線，造成鍵合拉力失效；采用第2組參數(shù)封帽的樣品，其內(nèi)部燒結(jié)材料并無明顯鋪展現(xiàn)象，對鍵合接地線無影響，而鉛錫銀的熔化溫度為290 ℃，說明參數(shù)1所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)對器件的溫升較大。

根據(jù)兩組參數(shù)理論結(jié)算值來看，第1組參數(shù)的單位長度理論能量略微小于第2組參數(shù)的理論值。從理論上來說，參數(shù)2施加在外殼上的總能量要大參數(shù)1，但由于重復(fù)時間較長，以及封帽速度較慢，使得外殼實際散熱時間更長，累積在外殼上的熱量有充分的時間散熱，故外殼整體溫升較小。所以設(shè)置封帽參數(shù)時，要充分考慮參數(shù)的組合，不能盲目機械地照搬理論值。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著外殼體積的不斷減小，對產(chǎn)品進行封帽時，需要考慮平封參數(shù)對外殼溫升的影響，從而降低外殼溫升對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。由于平封參數(shù)組合較多，在確定產(chǎn)品封帽參數(shù)時，不能機械地按照能量公式，需要考慮單個參數(shù)變化對殼體溫升的影響，在保證產(chǎn)品氣密性的同時又不會造成其他方面的失效。這就需要工藝人員對平封各參數(shù)深刻的理解，并進行大量的實驗，得出一個合理的參數(shù)組合，一個合理的封帽工藝參數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。

圖5 封帽后兩組樣品焊料二次熔化形貌

[1] 郭建波，等. 影響平行縫焊效果的各工藝參數(shù)分析[J].電子與封裝，2010, 6（6）.

[2] 李茂松，等. 平行縫焊工藝抗鹽霧腐蝕技術(shù)研究[J]. 微電子學(xué)，2011, 3（6）.

[3] 肖清惠，等. 電極對平行縫焊的影響[J]. 電子與封裝，2012, 9（9）.