張 瀟，王亞東，李富國，秦 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

近年來，電子系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、鐵路等領(lǐng)域，隨著市場對(duì)電子系統(tǒng)小型化、智能化的迫切需求，微系統(tǒng)技術(shù)取得了長足的發(fā)展。隨著系統(tǒng)的互連密度越來越大、封裝尺寸越來越小，一系列新型工藝技術(shù)推動(dòng)電子封裝技術(shù)向更高技術(shù)方向發(fā)展，微系統(tǒng)化對(duì)微封裝技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，成為軍用電子產(chǎn)品小型化、多功能、高性能發(fā)展的重要方向。平行縫焊技術(shù)是微系統(tǒng)封裝的一個(gè)重要方向，通過利用兩個(gè)圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和管殼，在滾輪電機(jī)的壓力下，形成一連串焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)外殼的封裝。這種氣密性封裝技術(shù)由于自身具有很多優(yōu)點(diǎn)，且工藝發(fā)展成熟，在封裝領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用[1]。

本文所論述的微系統(tǒng)封裝主要解決金屬基座、陶瓷金屬化基板之間的氣密性封裝。圍框材料選用可伐合金，蓋板選用鐵鎳合金材料，對(duì)殼體及蓋板之間進(jìn)行平行縫焊的封焊試驗(yàn)。通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)分析其對(duì)焊接質(zhì)量及氣密性的影響，并用氦質(zhì)譜儀檢測氣密性達(dá)到預(yù)定指標(biāo)；分析了在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，并得到優(yōu)化的焊接參數(shù)，對(duì)微系統(tǒng)氣密性封裝獲得良好的焊接效果具有一定的幫助。

1 平行縫焊工作原理

平行縫焊本質(zhì)上屬于電阻焊，其工作原理見圖1。從電源一側(cè)流出的電流流過電極1，通過電極1與蓋板間的接觸點(diǎn)，再流過蓋板本體，到電極2，最后返回電源。不排除部分來自電極的電流沒有直接通過蓋板中心，而是穿透蓋板到達(dá)待封裝殼體底座返回另一側(cè)蓋板。電源通電時(shí)，電極在移動(dòng)的同時(shí)通過電極輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電源傳遞的總功率一部分轉(zhuǎn)換成電源內(nèi)部熱量，一部分消耗在接線上，還有一部分消耗在蓋板內(nèi)，但大部分消耗在電極和蓋板的接觸點(diǎn)處，產(chǎn)生焦耳熱量，使蓋板與圍框之間局部形成熔融狀態(tài)，凝固后形成一連串的焊點(diǎn)[2]。根據(jù)焦耳定律，儲(chǔ)存的能量公式為

式中：E為儲(chǔ)存的能量；K為比熱；ΔΘ為溫度變化；M為質(zhì)量。試驗(yàn)中采用矩形殼體，焊接好蓋板的兩條相對(duì)的邊后，工作臺(tái)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)90°，再次焊接另外兩條對(duì)邊，這樣管殼的封裝就完成了。焊接過程中各參數(shù)之間的關(guān)系公式為

式中：TPW為脈沖周期；P為功率；L為管座長度；T為周期；v為電極速度；I為工作電流；R為等效電阻；t為時(shí)間。圖1為平行縫焊工作原理示意圖。

圖1 平行縫焊工作原理示意圖

2 平行縫焊主要工藝參數(shù)

2.1 焊接功率

封焊一件產(chǎn)品所需要的能量由流經(jīng)接觸電阻的電流產(chǎn)生，圖2為電壓-電流-功率之間的關(guān)系圖。由圖2可知，功率始終為正值。假設(shè)TPW為設(shè)定的脈沖周期。每個(gè)周期內(nèi)傳遞的能量等于電源接通時(shí)功率與時(shí)間的乘積。整個(gè)電路系統(tǒng)中電阻分為內(nèi)電阻和外電阻兩部分，外電阻很大時(shí)，流動(dòng)的電流很小，總功率也很?。煌怆娮韬苄r(shí)，在內(nèi)電阻上的分壓將消耗大部分能量，使得外電阻分得的功率較小。對(duì)于固定的電源設(shè)備系統(tǒng)，傳遞到外電阻上的功率與內(nèi)外電阻值分配有關(guān)，當(dāng)兩者相等時(shí)，分配得到的功率最大，效率最高。

圖2 電壓-電流-功率關(guān)系圖

2.2 焊接速度

對(duì)平行縫焊技術(shù)而言，封焊速度也是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵控制點(diǎn)之一。系統(tǒng)提供連續(xù)的脈沖串，脈沖周期為TPW。當(dāng)脈沖提供的能量足夠大時(shí)，即可以熔化電極所在范圍內(nèi)的金屬材料，此時(shí)封焊速度越高，越傾向于使焊點(diǎn)變大；當(dāng)脈沖不能提供足夠能量時(shí)，焊接速度越高，焊點(diǎn)反而要減小。此時(shí)焊點(diǎn)重合率低，易產(chǎn)生裂紋及焊縫不完整等情況；焊接速度過低，能量聚集明顯，管殼溫度升高，易產(chǎn)生氣孔及軌跡不平整等現(xiàn)象。因此，為了獲得較好的焊接效果，形成氣密焊縫，需要在正式焊接產(chǎn)品之前進(jìn)行一系列參數(shù)試驗(yàn)及調(diào)整，使參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配，有效提高封裝成品率[3]。

2.3 電極壓力

電極壓力直接影響接觸電阻的大小。增加壓力時(shí)，金屬材料保持熔化狀態(tài)的溫度范圍變大，溫度的控制作用減弱；接觸電阻變小，使得蓋板與殼體接觸點(diǎn)處分到的功率變小，總能量減少，造成能量損耗；消耗在蓋板和底座之間的能量增加，可能會(huì)造成內(nèi)部電路能量過高等缺陷。較大壓力使蓋板和底座間的熱傳導(dǎo)性能增加，有助于熔焊。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

平行縫焊主要針對(duì)形狀規(guī)則的金屬封裝殼體進(jìn)行氣密封焊[4]。本次試驗(yàn)中的底座圍框?yàn)?J29可伐合金，熔點(diǎn)1 450℃，與陶瓷熱膨脹系數(shù)相匹配。蓋板采用4J42鐵鎳合金，熔點(diǎn)1 440℃。樣品底座為方形管殼，尺寸為15 mm×12 mm，蓋板為內(nèi)嵌式，封焊區(qū)的厚度約為0.1 mm，尺寸與底座一致，蓋板和封裝殼體結(jié)構(gòu)見圖3。將進(jìn)行過表面清理的合格的待封管殼放入金屬夾具中，與蓋板一同放入氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行試封。封蓋完畢后，將產(chǎn)品從交換箱中取出，檢查封裝外觀質(zhì)量，外觀合格的產(chǎn)品進(jìn)行氣密性測試。平行縫焊機(jī)一般只能對(duì)規(guī)則的管座進(jìn)行封焊，并且要求蓋板表面盡量在同一平面上，否則不容易進(jìn)行封焊。封焊過程中應(yīng)注意以下5點(diǎn)：一是在打開真空烘箱的外門后，在下次打開其內(nèi)門前，要對(duì)其進(jìn)行箱體抽補(bǔ)氣，否則混入箱內(nèi)的空氣會(huì)污染手套箱內(nèi)的氣氛；二是打開交換箱的外門后，在下次打開其內(nèi)門前，要對(duì)其進(jìn)行箱體抽補(bǔ)氣，否則混入箱內(nèi)的空氣會(huì)污染手套箱內(nèi)的氣氛；三是真空烘烤結(jié)束后，待工件冷卻后再用手拿取，防止其溫度過高造成燙傷；四是在焊接過程中，雙手嚴(yán)禁觸摸電極輪，以防燙傷；五是保證焊接過程中有連續(xù)穩(wěn)定的氣源供應(yīng)，并且手套箱進(jìn)氣口的壓力不低于0.4 MPa。

圖3 蓋板和封裝殼體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為平行縫焊樣品工藝參數(shù)。

表1 平行縫焊樣品工藝參數(shù)

選取焊接電流、焊接速度、延遲距離等對(duì)縫焊影響較大的參數(shù)作為平行縫焊質(zhì)量判定試驗(yàn)的變量，按照表1參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)不同樣品的試封[5]。在這些工藝參數(shù)中，所選用的焊接壓力是相同的，采用上述試驗(yàn)方案，得到焊縫效果見第73頁圖4。

方案1和方案2用于對(duì)比焊接電流對(duì)焊接效果的影響，兩組試驗(yàn)焊縫外觀分別見圖4-a和圖4-b。從圖中可以看到，在其他參數(shù)一致的情況下，選用較小的焊接電流，焊縫處的焊點(diǎn)由于能量過小沒有完全形成，搭接不均勻，因此焊接電流不宜過小。經(jīng)多次試驗(yàn)可得，采用1.6～2.0 kA焊接電流時(shí)焊接效果較好。

圖4 焊縫效果圖

方案2和方案3用于對(duì)比焊接速度對(duì)焊點(diǎn)連續(xù)性的影響，兩組試驗(yàn)的效果圖分別見圖4-c和圖4-d。焊接速度是指焊接過程中待封管殼在電極下的移動(dòng)速度，其速度對(duì)縫焊過程中的能量也有一定的影響。焊接速度過小，焊接總時(shí)間延長，焊接熱量增大，致使管殼溫度升高，焊接外觀不平整，有小的凹痕。經(jīng)多次試驗(yàn)可得，焊接速度為4 mm/s時(shí)可獲得良好的焊點(diǎn)重疊。

方案2和方案4用于對(duì)比延遲距離對(duì)焊縫外觀質(zhì)量的影響。本試驗(yàn)中設(shè)置起始位置和結(jié)束位置選用相同的延遲距離，當(dāng)延遲距離較短時(shí)，電極和蓋板間易造成接觸不良的情況，致使電流增大，出現(xiàn)打火現(xiàn)象，在蓋板的拐角處因能量過大而發(fā)黑，見圖4-f。因此要設(shè)定合適的延遲距離，保證在起點(diǎn)和終點(diǎn)搭接良好。經(jīng)多次試驗(yàn)可得，延遲距離選用1.8 mm時(shí)邊緣焊接效果較好。

4 結(jié)論

本文針對(duì)采用底座圍框?yàn)?J29可伐合金，蓋板為4J42鐵鎳合金的樣品進(jìn)行平行縫焊的封焊試驗(yàn)，開展了工藝參數(shù)對(duì)焊縫效果的對(duì)比試驗(yàn)，探討了平行縫焊過程中焊接電流、焊接速度等對(duì)焊接效果的影響。通過實(shí)際試驗(yàn)情況，對(duì)比焊縫效果，可以得出：當(dāng)焊接電流為1.7 kA，焊接速度為4 mm/s，延遲距離為1.8 mm，壓力為10 N時(shí)得到的樣品焊點(diǎn)一致性很好，焊縫表面平整，滿足合格焊縫要求，為后續(xù)產(chǎn)品封焊提供參考。