(貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽，550018)

1 固態(tài)繼電器平行縫焊概述

固態(tài)繼電器(Solid State Relay,SSR)是電子控制設(shè)備的重要組成部分。自誕生以來一直被廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等。隨著焊接技術(shù)、密封工藝的發(fā)展，氣密式密封固態(tài)繼電器以其高可靠性、長壽命周期、小體積、高功率密度等優(yōu)點，已應(yīng)用在嚴(yán)酷工作條件下的宇航設(shè)備和軍用電子設(shè)備中。在可靠性要求高的場所采用金屬氣密式密封，其作用為隔絕水汽、空氣中的氧氣及其它有害介質(zhì)，防止芯片、鍵合引線、厚膜導(dǎo)體、陶瓷覆銅區(qū)及其它器件暴露在空氣中腐蝕失效。熔焊封接技術(shù)是常用的實現(xiàn)金屬氣密式密封的一種方法，熔焊是通過加熱實現(xiàn)蓋板(罩殼)與底座熔融形成焊點進(jìn)而實現(xiàn)連接的工藝技術(shù)，依據(jù)工藝技術(shù)不同包括平行縫焊、儲能焊、激光縫焊、釬焊、錫焊等。

平行縫焊是目前在氣密性要求高的封裝結(jié)構(gòu)中普遍使用的工藝，具有較高的可靠性和焊接效率，焊接過程對器件的溫度沖擊較小，焊接接頭強度高，不用添加焊料等特點，適用于金屬氣密式密封固態(tài)繼電器。

2 平行縫焊工藝

平行縫焊是一種電阻焊，是通過兩個平行的圓錐形銅合金滾輪電極與蓋板接觸，給電流提供了一個閉合的回路，當(dāng)兩個電極施加一定的壓力，在電極與蓋板及蓋板與焊框之間存在接觸電阻，因接觸電阻為焊接回路的兩處高阻，焊接電流將在這兩個接觸電阻處產(chǎn)生焦耳能量，如圖1所示。兩電極同時沿著金屬蓋板邊緣滾動，兩電極間經(jīng)過一系列短的高頻電流，在電極與蓋板接觸點處產(chǎn)生極高的局部熱量，使蓋板熔化、回流，從而形成一個完整、連續(xù)的縫焊區(qū)域。焊點一個個相繼成型，形成一條魚鱗狀搭接的焊縫。

圖1 平行縫焊系統(tǒng)示意圖

平行縫焊的工藝要求，即回流區(qū)域連續(xù)無孔隙、無裂紋，且管殼溫度又不過高。因此要達(dá)到這樣的工藝要求，縫焊管殼時控制單脈沖能量，既能夠使金屬熔化，又不會使管殼過熱。焊點電流過大能量就過大，容易將蓋板焊穿；電流太小就能量太小，焊接不充分，容易留下虛焊。通過適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)優(yōu)化，并得到前工序的配合，平行縫焊過程中外殼的溫度可以控制在100℃以下。因此平行縫焊通常被認(rèn)為是一種局部高溫、整體低溫的封接技術(shù)。盡管如此，實際焊接過程中，焊縫位置的實際溫度通常都超過1 000℃，甚至高達(dá)1400～1700℃，以滿足蓋板熔融的條件。過熱會引起金屬顆粒膨脹，導(dǎo)致微裂或縫隙。金屬一定要在短時間內(nèi)熔化、回流，而這個時間一定要小于熱量傳輸?shù)綒んw的時間，這樣才不會使殼體本身過熱。

3 焊接參數(shù)分析

3.1 焊點原理

根據(jù)焦耳定律可得以下關(guān)系：

Energy=[Avg·power]×t=V2/Rc×[PW/PRT]×t

(1)

式(1)中V為經(jīng)過電極的電壓；RC為兩電極與蓋板的接觸電阻；PW為電壓脈沖寬度；PRT為電壓脈沖周期，t為焊接總時間。電極電壓、接觸電阻、電壓脈沖寬度、電壓脈沖周期、焊接時間均影響平行縫焊能量。焊接是由一系列的脈沖串實現(xiàn)的，脈沖寬度和脈沖周期一般要保持不變，兩者的比值會對焊接功率產(chǎn)生較大影響。

3.2 焊接系統(tǒng)參數(shù)

焊縫是由一串魚鱗狀疊壓的焊點組成，焊接需要對焊接電流分段控制，在圖2中，I1為起始電流，I2為穩(wěn)定加熱電流，I3為緩降后電流，I4為陡降后電流。在t0～t1階段，對應(yīng)焊縫的起始階段，一般對應(yīng)焊接器件的直角處，焊點的疊壓面積較大，器件的溫度較低，需要焊接功率快速提升；在t1～t2階段，對應(yīng)焊縫的前段，也是焊接的穩(wěn)定階段，此時器件的累積熱量較少，焊接所需要的功率較高，對應(yīng)的穩(wěn)定電流較大；在t2～t3階段，對應(yīng)焊縫的中段，由于在前面穩(wěn)定加熱階段累積了熱量，所以后段焊接時適當(dāng)降低焊接電流、降低功率，降低殼體的溫升，保護內(nèi)部芯片；在t3～t4階段，對應(yīng)焊縫的后段，此時電流產(chǎn)生的功率與前期累積的能量滿足焊接的要求，亦不會出現(xiàn)焊點過熔和殼體溫升過高的現(xiàn)象；在t4～t5階段，與起始階段相似，對應(yīng)焊縫的收尾處，對應(yīng)焊接器件的直角處，焊點的疊壓面積較大，由于前面熱量的累積，此時可以降低縫焊電流。

圖2 電流分段圖

3.3 焊接壓力

焊接壓力是通過電極滾輪作用在蓋板上，使電極與蓋板、蓋板與殼體緊密接觸，接觸點即為焊接的功率產(chǎn)生點。壓力過小，致使電極與蓋板、蓋板與殼體接觸不可靠，可能造成打火、電傷、冷焊等現(xiàn)象；壓力過大，可能會使電極滾輪轉(zhuǎn)動卡滯，在焊縫上留下拖拉的劃痕，也可能蓋板焊點過熔，厚度減薄，影響蓋板的機械強度和溫度應(yīng)力，對于陶瓷殼體的器件，壓力過大可能將封接環(huán)下面的瓷體壓裂最終出現(xiàn)密封性不合格現(xiàn)象；焊接壓力參考值10N，在實際焊接中根據(jù)焊接系統(tǒng)、焊接殼體、蓋板進(jìn)行調(diào)整。

3.4 焊接速度

焊接速度是指電極滾輪的滾動速度，其直接影響焊點的疊壓比例，速度太快可能造成焊點不連續(xù)或疊壓不足，而產(chǎn)生泄漏；速度太慢焊點多次疊壓，焊點金屬多次熔融，會遺留較大的熱應(yīng)力。焊接速度應(yīng)與電極的角度配合，配合效果主要參考焊點的重疊比例。

3.5 延遲距離

延遲距離主要用于控制電極的爬坡和下坡距離，這兩點發(fā)生在焊接的起點和終點，防止出現(xiàn)接觸不可靠而打火的現(xiàn)象。延遲距離的設(shè)定既要考慮蓋板與殼體的配合，也要考慮電極滾輪的直徑。

4 外殼及夾具的影響

4.1 蓋板設(shè)計

固態(tài)繼電器應(yīng)采用的蓋板基本為長方形，存在四個直角，其形狀分為平板型和禮帽型，對于金屬殼體的器件這兩種形式的蓋板均有使用，對于陶瓷殼體的器件基本使用禮帽型蓋板，參考圖3。在蓋板設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：1)厚度，平板型蓋板的厚度一般為0.1mm～0.25mm，不適用于寬腔體的器件，禮帽型蓋板中間部分凸出，厚度一般為0.4mm，四周邊沿厚度為0.1mm～0.15mm；2)圓角，為防止直角點打火，在蓋板設(shè)計中通常采用圓角處理，圓角半徑R0.3mm～0.5mm，如R過大可能造成直角處無法熔封。3)縮邊配合，在蓋板與殼體配合中，各邊尺寸應(yīng)參照殼體各邊尺寸內(nèi)縮0.08mm～0.15mm，根據(jù)封邊的厚度進(jìn)行調(diào)整，厚度大的內(nèi)縮尺寸越大；4)材料，封接環(huán)或金屬圍框通常采用鐵鎳合金材料加工，因為鐵鎳合金的膨脹系數(shù)與陶瓷、玻璃的膨脹系數(shù)相近，因此蓋板材料常用鐵鎳合金4J29、4J42、4J50；5)電鍍，由于鐵鎳合金的熔點溫度過高，且鐵鎳合金的本體雜質(zhì)、砂眼等影響蓋板的縫焊、耐腐蝕能力，因此需要電鍍，常用的電鍍方式為鎳、鎳-金或鎳-金-鎳-金，經(jīng)過電鍍可降低熔點、提高耐腐蝕能力。

圖3 禮帽型蓋板與殼體配合

4.2 縫焊夾具

合理設(shè)計封焊夾具能確保器件的縫焊質(zhì)量、可靠性。縫焊夾具要求既能緊固殼體，又不損傷外觀，且方便上下工件。常用的縫焊設(shè)備中使用兩個定位導(dǎo)柱進(jìn)行固定，夾具設(shè)計也應(yīng)以導(dǎo)柱定位，進(jìn)行對稱式設(shè)計，方便平臺90°旋轉(zhuǎn)后縫焊。夾具要根據(jù)器件外形及尺寸在中心對稱設(shè)計固定器件的凹槽，把殼體固定在縫焊夾具的中心。設(shè)計夾具的最大要點是殼體中心、夾具中心、兩個定位孔的中心重合。夾具的材料一般選用鋁材，鋁材具有較大的比熱容，可以防止殼體的過高的溫升，保護內(nèi)部芯片。鋁材加工性良好，易于保證加工精度，且成本較低。

5 電極的影響

5.1 電極材料選用

電極是平行縫焊系統(tǒng)的重要組成部分，電極材料的決定著電極特性，電極材料的選擇主要受以下幾點的影響：1)低電阻率，電極需要良好的導(dǎo)電性，在平行縫焊回路中盡量降低回路電阻，而使電極與蓋板、蓋板與殼體的接觸電阻發(fā)揮主要作用，因此需要電極具有較低的電阻值，才能在千安培級的電流流過時(I2R)產(chǎn)生較小熱量損失；2)高導(dǎo)熱率，電極需要有良好的散熱性，縫焊過程中，熱量會通過蓋板、可伐環(huán)傳遞到陶瓷上或通過可伐殼體傳遞到玻璃絕緣子上，由于陶瓷的熱膨脹系數(shù)與可伐環(huán)不同，可伐殼體的膨脹系數(shù)與玻璃絕緣子不同，散熱不好，就產(chǎn)生了高溫下的應(yīng)力累積，從而使陶瓷與可伐環(huán)之間產(chǎn)生裂縫或可伐殼體與玻璃絕緣子產(chǎn)生微裂紋，造成封裝失效。在金屬中，銀的散熱性和導(dǎo)電性最好，但銀的硬度較低且價格過高。而銅的散熱性和導(dǎo)電性僅次于銀，價格又遠(yuǎn)低于銀，其中紫銅的散熱性和導(dǎo)電性優(yōu)于其他銅合金，但硬度較低。因此，常選用鎢銅、鎬銅等材料作為電極。

5.2 電極角度θ

在平行縫焊中，電極是一種錐型的滾輪，其角度主要是指電極的斜切面與水平面的夾角θ,如圖4所示。在實際平行縫焊過程中主要使用的是4°和10°電極。電極角度大小決定了在縫焊過程中電極與蓋板之間接觸面的大小。角度越小接觸面積越大，電阻R越小，根據(jù)P=I2R可知，阻值下降，焊點所受的功率就減小，從而造成熱量不足，需要增加縫焊電流，以達(dá)到焊接效果。若對蓋板施加過大的功率、焊接溫度、時間都會在可伐環(huán)局部產(chǎn)生熱積累，會使陶瓷與柯伐環(huán)之間、蓋板與圍框之間產(chǎn)生裂縫、過熔現(xiàn)象，造成封裝失效。目前平行縫焊電極多采用10°角度的電極。

圖4 電極與蓋板的夾角

5.3 電極表面粗糙度

電極的表面不光滑、凹凸不平、沾污，在電極的坑洼處與蓋板接觸的瞬間，接觸電阻R增大，使得瞬間電流增大，會在焊接的瞬間發(fā)生打火現(xiàn)象，使得焊縫不能完好地形成，影響了器件的外觀，更易造成器件密封性不合格。即使器件當(dāng)前密封性合格，在經(jīng)過篩選后，由于環(huán)境應(yīng)力的相互作用，也會造成焊點的裂紋，影響器件的密封性、可靠性。由此可見，電極表面的粗糙度、沾污情況對縫焊質(zhì)量起著重要的作用。

6 平行縫焊工藝要求

氣密性是氣密式密封器件技術(shù)要求的第一考核參數(shù)。密封性檢驗按照工藝氣氛不同，分為封入示蹤氣體和未封入示蹤氣體，其檢驗方法也有不同。固態(tài)繼電器密封性檢驗，主要根據(jù)GJB 548B《微電子器件試驗方法和程序》進(jìn)行，分為封入示蹤氣體和未封入示蹤氣體。

封入示蹤氣體的器件采用一種預(yù)封檢測氣體的方式進(jìn)行檢漏，即在平行縫焊手套箱內(nèi)，通入按一定比例預(yù)先混合的氮氣/氦氣混合氣體作為封帽氣氛，器件在此環(huán)境中進(jìn)行密封，器件腔體內(nèi)封入一定比例的氦氣。如果器件存在氣密性不合格，氦氣將會從腔體內(nèi)的漏孔處逸出，被氦質(zhì)譜檢漏儀探測。這種方式的特點是，生產(chǎn)效率高，但需要在完成縫焊后的規(guī)定時間內(nèi)完成所有器件的氦氣檢漏過程，對檢驗的操作時間要求較高。

未封入示蹤氣體的器件檢驗方法有示蹤氣體氦(He)細(xì)檢漏、放射性同位素細(xì)檢漏、碳氟化合物粗檢漏、光學(xué)粗/細(xì)檢漏。固態(tài)繼電器通常采用示蹤氣體氦(He)細(xì)檢漏的試驗條件，通常將待檢漏器件放置在一個符合表1壓力和時間要求的氦氣壓力罐中進(jìn)行氦轟擊后，取出器件必須在規(guī)定時間內(nèi)完成氦質(zhì)譜檢漏儀檢測。這種方式是高可靠混合電路、微電子單片集成電路普遍采用的氣密性檢測方式。

表1 固定條件

表1的執(zhí)行方式為固定方法(試驗條件A1)，此外還有靈活方法(試驗條件A2)，其方式為選擇適當(dāng)?shù)募訅簤毫?、壓力作用時間和停頓時間，使有缺陷的被測器件測得的示蹤氣體測量漏率R1的讀書大于質(zhì)譜儀的最小檢測靈敏度。器件應(yīng)至少承受兩個絕對大氣壓(202kPa)的氦氣作用。靈活方法適用于試驗分析，不適于生產(chǎn)的批次性檢驗。測量漏率R1的公式為：

R1=(L·Rε(MA/M)1/2/PO)·(1-exp(-L·t1/V·PO))·(MA/M)1/2)·exp(-L·t2/(V·PO))·(MA/M)1/2)

靈活方法的失效判據(jù)應(yīng)符合表2的要求。

表3 靈活法失效判據(jù)

粗檢漏的試驗通常采用碳氟化合物，將被檢測器件放置于真空/壓力罐中，把壓力降到小于或等于0.7 kPa，至少保持30 min。然后在不破壞真空的前提下注入足夠量的Ⅰ型檢測用液體覆蓋器件，并保持真空過程30min。然后按照表4的規(guī)定對器件增壓，增壓完成后去除壓力，將器件取出，在空氣中干燥2±1min，而后浸入到125℃的Ⅱ型指示液體中。器件頂部應(yīng)在Ⅱ型指示液體上表面以下至少浸入5cm，在光源的照射下，經(jīng)放大鏡觀察器件是否有氣泡冒出。若觀察到在器件的同一個位置冒出一串明顯的氣泡或兩個以上大氣泡，則視為該器件粗檢漏密封性失效。

表4 粗檢漏加壓條件

氦質(zhì)譜儀細(xì)檢漏可以定量檢測器件的漏率指標(biāo)，但由于該設(shè)備的特性，不能具體定位器件的泄漏點。當(dāng)器件的漏率較大或大漏時，對器件內(nèi)部的示蹤氣體檢測也會失靈，此時可通過粗檢漏測定。

7 結(jié)束語

本文針對固態(tài)繼電器平行縫焊工藝的全過程進(jìn)行了淺顯的分析、研究，并對基本熔焊原理簡要描述。影響器件平行縫焊密封性的因素有很多，本文僅在幾個主要影響因素進(jìn)行了研究、分析、說明，其中包括了平行縫焊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、外殼的配合、蓋板的設(shè)計、電極的材料選型及加工要求等。這些經(jīng)驗和建議對于其它類型的固體繼電器工藝設(shè)計具有一定參考價值。