莊 園

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 封帽機(jī)整體介紹

封帽機(jī)是利用瞬間放電產(chǎn)生大電流完成碰焊封帽的設(shè)備。其過程是：上電極趨近下電極→接觸，形成接觸力即焊接力→瞬間放電產(chǎn)生大電流→上電極壓緊下電極，加壓形成鍛壓力→完成封帽→卸料[1]。

封帽機(jī)整體采用立式布局，并應(yīng)用氣動、電控、真空、機(jī)械綜合技術(shù)。設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是電極加壓系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和產(chǎn)品定位系統(tǒng)。電極加壓系統(tǒng)的作用是預(yù)壓被焊件，產(chǎn)生焊接力、鍛壓力，結(jié)合放電系統(tǒng)完成封帽過程。放電系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接能量。產(chǎn)品定位系統(tǒng)是保證穩(wěn)定同心度的核心部件。設(shè)備的另一核心技術(shù)是產(chǎn)品的全自動搬運(yùn)技術(shù)。隨之自動化水平提升，全自動上下料已成為設(shè)備的主流技術(shù)。

封帽機(jī)應(yīng)用氣動系統(tǒng)驅(qū)使上下電極接觸，提供放電所需壓力。焊接電源正負(fù)極分別連接上下電極，通過氣缸驅(qū)動形成焊接回路。管座、管帽和成品搬運(yùn)應(yīng)用電動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效供料。設(shè)備通過觸摸屏與PLC實(shí)現(xiàn)整機(jī)動作與焊接參數(shù)調(diào)整。設(shè)備整體流程圖如圖1。

2 焊機(jī)封焊產(chǎn)品

封帽機(jī)目前廣泛應(yīng)用于光通訊行業(yè)光電器件的TO封裝，封裝主要由管座和管帽組成。封焊產(chǎn)品如圖2。

圖1 封帽機(jī)流程圖

圖2 封焊產(chǎn)品圖

TO管座，作為安裝半導(dǎo)體、激光二極管或簡單電路等電子和光學(xué)元件提供了機(jī)械基礎(chǔ)，同時通過引線為封裝元件提供電信號。探測器和激光器等光學(xué)元件特別容易受到環(huán)境的破壞。尤其是濕度，可使半導(dǎo)體元件迅速腐蝕，導(dǎo)致整個器件出現(xiàn)故障。因此這些元件需要提供可靠持久的保護(hù)。最常見的管座為LDTO座和PDTO座，即常稱為TO56和TO46管座。

在光電子領(lǐng)域中，TO管帽實(shí)現(xiàn)了兩大基本功能。首先，它們對傳輸和接收應(yīng)用領(lǐng)域中的光學(xué)元件提供了持久可靠的保護(hù)。其次，作為光學(xué)接口，他們還確保了光學(xué)信號的順利傳輸。因此安裝在管帽中的窗口或透鏡的光學(xué)性質(zhì)必須達(dá)到相當(dāng)高的要求。最常用的有普通球帽、2.0大球帽和非球帽三種。透鏡材料為BK7、SF6、SF8等，帽桶材料為KOVER和SF20F。

3 底座和管帽產(chǎn)品封焊焊接條件

產(chǎn)品封焊過程是對管座、管帽進(jìn)行通電加壓，利用發(fā)熱焊接的工藝，進(jìn)行熔融焊接與擴(kuò)散結(jié)合。封焊過程示意圖如圖3。影響焊接質(zhì)量的諸因子稱為焊接條件。焊接條件有焊接電流、通電時間、電極加壓力和加壓波形、電流方向、電極的形狀和材質(zhì)、工作的材質(zhì)和表面狀態(tài)等有關(guān)。其中焊接電流、通電時間、電極加壓力是最重要的。

圖3 產(chǎn)品封焊示意圖

3.1 焊接電源

焊接電源提供焊接過程輸出穩(wěn)定的能量保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量可靠，在TO產(chǎn)品焊接過程中一般使用三種類型電源。分別為電容儲能電源、逆變電源和晶體管電源。

逆變和晶體管電源輸出為電流，焊接過程可以檢測到焊接電流的“下限值”、“上限值”和“無通電檢測”。上下限設(shè)置是反饋焊接電流輸出是否穩(wěn)定。無通電檢測是，在焊接電流連續(xù)并沒有設(shè)定值以上的情況下，發(fā)出錯誤警報。

1) 電容儲能：充多少電放多少，可控性較差，通常有調(diào)節(jié)充電電壓和電容量兩種方式，使用時間長以后，電容充放電不完全時需要更換電容，以防止能量不穩(wěn)定。整體生產(chǎn)速度較慢。

一般只能恒壓控制，不能選擇恒流控制模式。只能調(diào)節(jié)電壓，不能調(diào)節(jié)加熱電流。

2) 逆變電源：輸出能量控制精度高，穩(wěn)定一致，可以設(shè)置電流的緩升緩降，使電流柔順變化。緩升可以防止開始過快加熱帶來的飛濺，緩保壓可以減少冷卻速度，確保熔化金屬在壓力下結(jié)晶冷卻，防止焊核疏松和其它缺陷。可以實(shí)現(xiàn)多段電流焊接，焊接時間可精密可調(diào)。

3) 晶體管電源：不需要變壓器，大多使用220 V電，現(xiàn)場的電氣施工相對簡單。晶體管相對于閉環(huán)儲能焊接，他將能量儲存后用MOS管高頻開關(guān)將能量傾斜出來，放電時間短最大10 ms。

3.2 焊接壓力

在產(chǎn)品封焊過程中，首先保證管帽和管座充分結(jié)合，行業(yè)稱為放電壓力。在放電完成后為了焊縫可靠融合應(yīng)加一大壓力使產(chǎn)品更好融合，常稱為段壓力。現(xiàn)有封帽行業(yè)有氣缸和伺服壓力兩種方式提供壓力。氣缸經(jīng)濟(jì)實(shí)惠控制簡單，應(yīng)用普通產(chǎn)品對壓力精度要求不高的成品。隨著行業(yè)不斷發(fā)展在高端產(chǎn)品封焊過程中要求壓力精度高，應(yīng)選擇伺服壓機(jī)提供壓力。

3.3 焊接參數(shù)選擇

要得到好的焊接質(zhì)量，焊接電流、通電時間和加壓力是重要焊接條件。加壓力大時電阻變小，焊接強(qiáng)度不夠，但是焊接電流和焊接時間過長就產(chǎn)生過量的發(fā)熱容易引起飛濺火花。產(chǎn)品質(zhì)量與電流和壓力關(guān)系如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系圖

3.4 焊接電極

焊接過程中，電極主要有三大作用，傳導(dǎo)電流、傳遞壓力和散熱。產(chǎn)品焊接時用大壓力壓住焊接部位，保證管帽和管座的充分結(jié)合，同時產(chǎn)生平均的熱分布，使電流集中。在焊接完成時電極能促進(jìn)焊接部位的冷卻，保證焊縫牢固。電極材質(zhì)一般有如下要求：

1) 導(dǎo)電率高，通大電流也不易發(fā)熱。

2) 熱傳導(dǎo)高，即使發(fā)熱也能馬上冷卻。

3) 機(jī)械強(qiáng)度，即使在高溫狀態(tài)也能保持硬度。

4) 不易與被焊接物形成合金，即不會粘電極。

通常這些要求在選用電極材料時未必都能滿足，因此在焊接不同材料是，應(yīng)對電極材料綜合考慮。常用的電極材料性能表如表1。

表1 電極材料性能表

4 常見焊接質(zhì)量問題及解決方法

4.1 常見焊接質(zhì)量問題

在產(chǎn)品封焊過程中，由于電極材質(zhì)、孔徑大小和焊接參數(shù)等因素，會造成焊接產(chǎn)品不良，造成經(jīng)濟(jì)損失。常見的質(zhì)量問題如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品缺陷圖

4.2 解決方法及預(yù)控措施

在實(shí)際焊接過程中，焊接條件不合適的話，可能會損壞電極和產(chǎn)品。因此在批量焊接產(chǎn)品前，進(jìn)行幾次測試焊接，找到最佳條件后，進(jìn)行批量封焊。在試驗(yàn)焊接產(chǎn)品時候，應(yīng)先確認(rèn)上下電極平行度和去除電極污垢后，從小的焊接電流開始進(jìn)行封焊。

封焊產(chǎn)品電極是一種易損件，應(yīng)定期檢查電極固定部分有無松弛，磨損狀態(tài)。如有磨損嚴(yán)重及時更換電極，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量。在更換新的電極時首先測試電極的加工精度，平行度和粗糙度，安裝完成后應(yīng)用感壓紙，測試上下電極的平行度。在產(chǎn)品封焊過程中常見的缺陷解決辦法如表2。

表2 產(chǎn)品缺陷解決方法

5 結(jié)論

封帽機(jī)是光通信同軸封裝行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和效率是設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。本文介紹的封帽機(jī)是一款全自動上下料封焊設(shè)備，極大提高了生產(chǎn)效率解放了勞動力，且分析了焊接過程中可能存在的質(zhì)量問題，并給出相應(yīng)的解決方法和預(yù)控措施，提高了實(shí)際生產(chǎn)過程中設(shè)備運(yùn)行的可靠性。