平行缝焊工艺对金属管壳玻璃绝缘子裂纹的影响

薛静静，李寿胜，侯育增

（中国兵器工业第二一四研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

厚膜混合集成电路使用已经超过50年，在20世纪60年代初期，厚膜混合集成电路广泛用于武器系统中，如民兵洲际弹道导弹等。其被广泛采用的主要原因是它与标准的印刷电路板相比，增加了可靠性并缩小了体积。厚膜混合集成电路广泛应用于导弹、卫星、飞行器、直升机、手持武器、舰载设备和潜艇导航设备，得益于混合电路缩小了体积的一个军用系统是休斯飞机公司为F-14飞机和F/A-18飞机制造的机载数据处理器。一些混合集成电路，如由国家半导体公司生产的HS9151电源变换器被设计得能耗散大量的功率[1]。

厚膜混合集成电路的应用领域越来越广泛，市场前景广阔，国内外供应商也纷纷涌现。与此同时，用户对产品质量的要求迫使市场指向厚膜混合集成电路的研制与工艺技术的提升层面上。为厚膜混合集成电路选择部件，首先要选择的是封装，因为混合电路是脆弱的并且对大气污染敏感，必须用某种形式的封装来保护它们。正确地选择满足顾客需要的封装，对厚膜混合电路制造者来说十分重要。

随着当今微电子产品朝着高性能、超小型化、多功能的方向发展，器件功率增大，封装体的散热特性已成为选择合适封装技术的一个重要因素。以金属为外壳的封装是一种高精度封装技术，具有优异的导电性能及热性能，而且气密性好，不受外界环境因素的影响[2]。

2 平行缝焊封装工艺研究主要内容

金属封装虽然使用时散热好、气密性好，优点很多，但是在金属封装过程中也会出现一些问题，平行缝焊封装是金属封装的一种重要形式，以下重点介绍厚膜混合集成电路平行缝焊封装工艺，探究其封装过程中容易出现的问题，分析并给出处理方案，以保证生产中产品的封装质量。

2.1 平行缝焊封装工艺简介

金属管壳封装是厚膜混合电路最常用的封装方式之一，如图1。

图1 镀金管壳（左）与镀镍管壳（右）

厚膜混合集成电路的金属封装工艺主要采用的是平行缝焊技术，它是借助于平行缝焊系统，由通过计算机程序控制的高频电流脉冲所产生的局部热能使外壳底座与盖板熔合，以形成气密性封装的一种工艺手段。

2.2 平行缝焊封装工艺在生产中易出现的问题

金属管壳平行缝焊过程中各种参数要根据电路金属管壳的各种材质和特性进行调整，否则可能会出现因金属管壳玻璃绝缘子出现不合格裂纹而造成外观目检判定不合格，影响产品合格率。

近期在我们的生产过程中，检验出某些批次中部分电路玻璃绝缘子出现不合格裂纹，导致产品质量有所下降。为了解决这个问题，有必要进行相关分析。

2.3 分析问题原因

金属管壳玻璃绝缘子出现不合格裂纹的原因很多，归纳概况如图2。就图中提出的影响金属管壳玻璃绝缘子产生裂纹的4个因素，经过调查并认真讨论分析，结合实际情况得到如下结论：

（1）人员有多年的工作经验，业务精通，能够准确按照文件以及操作规程进行正常生产；

（2）现有平行缝焊机（SM8500型平行缝焊系统）以及氦质谱检漏仪定期按时质检，不影响正常使用，调整设备参数后，同一批金属管壳玻璃绝缘子出现裂纹的程度不同；

（3）到金属管壳生产厂家调查后，发现其玻璃绝缘子材料有两种，经生产使用，进行对比后发现其中质密深绿的玻璃绝缘子出现裂纹较少，与厂家协商后全部换用此类玻璃绝缘子；

（4）操作人员经过厂家设备培训，能够正常操作，设备为2012年购买，投入生产使用时间不长，不会造成设备能力缺陷。

图2 平行缝焊工序对金属外壳玻璃绝缘子裂纹影响故障树分析图

经上述分析，设备参数的调整是导致金属管壳玻璃绝缘子出现不合格裂纹的要因。

2.4 调整设备参数

平行缝焊过程中，各种参数的设置影响电路受力，如果进行参数优化，使电路受力在其承受范围内，而不至于玻璃绝缘子产生裂纹影响电路气密性，那将对解决上述问题有很大帮助。为此，我们优化平行缝焊工艺参数，减小管壳在平行缝焊过程中的机械应力和热应力的影响，减少玻璃绝缘子裂纹的产生，从而保证和提高产品的质量。

SM8500平行缝焊的工艺参数主要有功率P、脉冲PW、周期PRT、速度S、压力F和脉冲间隔PS[3]。

对于给定管壳的焊接长度一定，则：

一旦PW和PRT被设置，它们一般保持不变，否则一个很小的变化就会导致传送到管壳上的焊接能量发生巨变。功率P、周期PRT、速度S、压力F和脉冲间隔PS的设定可以通过调整平行缝焊参数中焊接压力、缝焊电流、滚焊速度、焊点间距来实现。

图3 焊接脉冲

在生产过程中发现，有玻璃绝缘子裂纹问题的金属管壳其底座和盖板均为柯伐材料；表面电镀镍或电镀镍+金，镀层厚度范围要求统一；盖板为边缘厚度相同的台阶式；平行缝焊机滚焊轮锥度固定。所以，可以认为这些影响平行缝焊机参数设定的外在因素波动较小。最后经研究，我们给出以下的试验方案：

第一阶段，固定平行缝焊机其他参数，调整焊接压力分别为8 N、10 N、11 N、12 N、14 N、16 N、18 N进行分组试验；

第二阶段，固定平行缝焊机其他参数，调整电流幅值分别为0.36 kA、0.38 kA、0.4 kA、0.42 kA、0.44 kA、0.46 kA进行分组试验；

第三阶段，固定平行缝焊机其他参数，调整滚焊速度分别为0.4 ips、0.5 ips、0.6 ips、0.7 ips进行分组试验；

第四阶段，固定平行缝焊机其他参数，调整焊点间距分别为152.4 μm、178 μm、203 μm、228.6 μm、254 μm进行分组试验。

3 工艺试验研究

这里我们仅对第一阶段试验结果进行举例分析，固定平行缝焊机其他参数，对焊接压力进行调整，做了3批管壳试验，并在生产过程中跟踪了11批电路进行玻璃绝缘子目检，记录数据和试验分析如下。

3.1 管壳分组试验

管壳分组试验，型号up3521，尺寸35 mm×21 mm，有24个引线，共25只，编号1～25，按序号依次分为6组；各组设定的焊接压力、检漏情况、平行缝焊、加压检漏后玻璃绝缘子裂纹个数记录见表1。

表1 玻璃绝缘子裂纹个数

通过表1，进行数据对比可以看出，第五组与第六组加压检漏前后的玻璃绝缘子裂纹比其他组明显减少，此次试验说明焊接压力14 N与16 N较优；再观察电路焊道，发现焊接压力16 N的电路比焊接压力14 N的焊道较宽。

管壳分组试验，型号up5428，尺寸54 mm×28 mm，管壳有40个引线，共20只，编号1～20，按序号依次分为4组；各组设定的焊接压力、检漏情况、平行缝焊、加压检漏后玻璃绝缘子裂纹个数记录见表2。

通过表2，进行数据对比可以看出，第一组与第二组加压检漏前后没有出现玻璃绝缘子裂纹，再次说明焊接压力14 N与16 N较优；再观察电路焊道，发现焊接压力16 N的电路仍比焊接压力14 N的焊道较宽。

表2 玻璃绝缘子裂纹个数

3.2 管壳试验

型号up3521，共8只，编号1～8；其中前4只与后4只来自不同厂家。焊接压力14 N，漏率2.6×10-10Pa·m3/s，平行缝焊后玻璃绝缘子均没有裂纹出现，加压检漏后5号出现1个合格玻璃绝缘子裂纹。

焊接压力14 N，其他参数不变，跟踪批次电路，目检玻璃绝缘子裂纹情况记录数据如下：

（1）型号up2013，共135只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（2）型号up2013，共166只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（3）型号up3521，共142只，平行缝焊后2只出现玻璃绝缘子裂纹，加压检漏后大部分出现合格玻璃绝缘子裂纹，但气密性良好；（4）型号up2013，共12只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（5）型号up2013，共12只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（6）型号up2013，共12只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（7）型号up3521，共12只，平行缝焊后无玻璃绝缘子裂纹，加压检漏后均每只约有2个玻璃绝缘子有裂纹；（8）型号up2013，共139只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（9）型号up3521，共141只，平行缝焊后无玻璃绝缘子裂纹，加压检漏后15只电路出现玻璃绝缘子裂纹；（10）型号up2013，共151只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹；（11）型号up2520，共184只，平行缝焊后和加压检漏后均无玻璃绝缘子裂纹。

跟踪数据分析：（3）、（7）、（9）批经机械加工铣底部的管壳均出现了玻璃绝缘子裂纹，而且（3）、（7）批比（9）批此种情况更为严重，联系管壳生产厂家后得知，（3）、（7）批管壳与（9）批管壳用的玻璃绝缘子不同。

根据上述试验结果及分析可以看出，焊接压力16 N和焊接压力14 N的试验效果较好，但在试验过程中，焊接压力设定为16 N时，平行缝焊后金属管壳焊道较宽，因此焊接压力设定为14 N比较合理。

同样，按照上述方法，依次确定了对金属外壳绝缘子裂纹影响较大的其他重要参数，如缝焊电流、滚焊速度、焊点间距等。

4 结束语

目前中国兵器工业第二一四研究所厚膜混合集成电路平行缝焊封装工艺运行稳定、效率高，不仅可以完成厚膜电路的金属管壳封装，还可以协助LTCC等完成电路金属管壳封装。虽然部分电路存在金属管壳封装和加压检漏出现玻璃绝缘子裂纹的现象，但是通过调整设备参数还是可以解决问题的。未来还将在平行缝焊多功能夹具、封装质量提高以及应用领域拓宽等方面展开进一步研究，以使金属封装工艺发挥更重要的作用。

[1] 李凯瑞·恩洛[美]著，朱瑞廉译. 混合微电路技术手册[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2] 中国电子学会生产技术学分会丛书编委会. 微电子封装技术[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2003.

[3] 刘艳，等. 平行缝焊工艺及成品率影响因素[J]. 电子与封装，2006，6（3）：15-16.