姜廷宇，王 成，陳 澄，孫乎浩，薛恒旭，袁正昊

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

隨著航空、航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的迅速發(fā)展，我國對現(xiàn)代軍民電子裝備的可靠性提出了越來越高的要求。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，焊接過程局部加熱，焊接質(zhì)量良好，生產(chǎn)效率高，在自動化生產(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)品可靠性問題也屢見不鮮，因此有必要對平行封焊技術(shù)作較為系統(tǒng)的論述。

1 平行封焊工作原理及分類

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。將待封焊的蓋板對齊放置在金屬圍框上并用夾具固定，一對錐形滾輪電極對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)另一個電極回到逆變電源構(gòu)成回路。由等效電路計算可知，整個電路的高阻區(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，待凝固后形成獨立焊點。隨著電極的滾動，逐漸形成魚鱗狀搭接焊點，圖2所示為焊點示意圖，一連串焊點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，因此該工藝過程也被稱為“平行縫焊”。

圖1 平行封焊原理圖

圖2 焊點示意圖

1.2 平行封焊分類

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，工作臺無法實現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)動，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，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，點焊后焊接蓋板的2條對邊，之后工作臺轉(zhuǎn)動90°，在垂直方向焊接另外2條對邊。對于圓形或橢圓形管座，只需將工作臺旋轉(zhuǎn)185°即可完成封焊，因圓形封焊具有較好的穩(wěn)定性，因此也可以用來封焊電極寬度大于對角線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(見圖4)的八邊形異形結(jié)構(gòu)盒體，并對電極結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進行優(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，將多個待封焊的器件陣列排布，一次性封焊所有蓋板長邊，將工作臺旋轉(zhuǎn)90°，再封焊所有短邊， 通過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，同時也對設(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，封焊前需對器件進行清洗，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，對盒體進行加熱并抽真空。封焊過程中充以氮氣，依據(jù)不同的焊接方式，參照圖5所示的工藝流程使器件在保護氣氛下焊接[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，對外觀檢測合格的產(chǎn)品進行氣密性測試。氣密性測試應(yīng)先進行細檢再進行粗檢，其中細檢通常指氦質(zhì)譜檢漏，將器件放入氦氣罐中并抽真空，然后用氦氣對器件加壓并保持一定時間，將元器件取出并放入檢漏盒中，通過檢測器件腔內(nèi)逸出氦氣的量來判斷氣密性。粗檢過程是將被檢產(chǎn)品浸沒在輕氟油中，并用氮氣對其加壓，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)多余物對封裝器件使用過程中產(chǎn)生影響，還需對封焊完的產(chǎn)品進行顆粒碰撞噪聲檢測(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，仍會造成諸如偏蓋、打火、蓋板腐蝕、漏氣、產(chǎn)生焊接多余物、焊縫斷線、絕緣子炸裂、芯片失效等影響封焊質(zhì)量的后果，為了解決上述問題，研究人員對平行封焊質(zhì)量控制參數(shù)進行了大量研究。

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合金熔點均在1 450 ℃上下，采用化學(xué)鍍鎳合金(熔點880 ℃)或鍍純金(熔點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)。為解決封焊過程中偏蓋現(xiàn)象，將蓋板設(shè)計成圖1所示的階梯型可有效解決上述問題。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污染，可以大大減小打火概率，同時也利于封焊過程的散熱。部分產(chǎn)品在封焊時出現(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，因此一旦焊接長度確定，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，若電極壓力過小，可能會因接觸不良而產(chǎn)生打火現(xiàn)象，但壓力增大會降低接觸電阻，導(dǎo)致蓋板與盒體接觸點所分得的功率減少，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適當增大焊接電流。

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。焊接功率過小，鍍層不完全熔化，焊接面潤濕不佳，容易產(chǎn)生焊縫斷線等導(dǎo)致漏氣的現(xiàn)象。功率太大可能會出現(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，特別是針對陶瓷器件，因其導(dǎo)熱性較差，不易散熱，且屬于脆性材料，當焊接功率較大時，盒體升溫較快，容易出現(xiàn)瓷體裂紋或蓋板燒蝕等現(xiàn)象，同樣會導(dǎo)致氣密性檢測不合格[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，焊接速度過快，焊點重疊率低，可能產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象；焊接速度過慢，能量長時間聚集，盒體升溫較高，且焊接軌跡不平整，特別是針對目前多芯片組件、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。通常焊點重合量控制在焊點直徑的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)焊點大小調(diào)節(jié)選擇合適焊接速度。

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

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

4 結(jié)語

在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及正確的工藝參數(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)量的同時不會產(chǎn)生其他方面的問題，因此不能盲目地套用能量公式，這就需要設(shè)計師及操作人員對平行封焊有深刻的認識，在封焊正式產(chǎn)品前應(yīng)進行試封試驗，優(yōu)選出合理的參數(shù)組合。

隨著當前國際形勢日益緊張，我國對軍民電子產(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，既是機遇又是挑戰(zhàn)，以下是筆者的幾點思考。

1)受限于當前主流平行封焊工作臺只能實現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，難以實現(xiàn)不規(guī)則形狀盒體的封焊，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了一定的局限性。日本某公司研制的平行封焊工作臺可以通過伺服馬達實現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)，能夠進行異形盒體的封焊作業(yè)，但該設(shè)備成本過高，因此沒有得到大規(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，實現(xiàn)多種類產(chǎn)品的封焊。

2)為獲得最佳平行封焊工藝參數(shù)組合，往往需要進行試焊工作，耗費大量人力、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，因此可以通過有限元仿真模擬平行封焊過程，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)，降低試驗成本。

3)平行封焊過程中需要使用夾具對盒體進行固定，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生產(chǎn)，為每一種產(chǎn)品獨立配備工裝夾具無疑耗費大量成本，因此為不同產(chǎn)品設(shè)計如帶有滑塊或螺旋頂針等兼容性夾具是今后平行封焊技術(shù)的一大發(fā)展方向。