玻璃钝化U型封装产品的工艺研发

2016-10-25石文坤

环球市场信息导报 2016年25期

◎石文坤

玻璃钝化U型封装产品的工艺研发

◎石文坤

本篇论文以2CZ5806U型封装产品为例，着力论述一种新型的U型玻璃钝化实体封装二极管的工艺实现路径，通过对多种方案的对比验证，最终确立适合本公司的U型产品量产工艺流程，实现玻璃钝化二极管由插件式向表贴式的工艺创新，为玻璃钝化二极管谱系再添一类新结构，丰富用户的选型及应用。

近年来，随着国家军用装备的小型化、集成化要求，各设计院所在新型号的设计上，均逐步推广使用多层PCB工艺进行电路的设计开发，我公司的主力玻钝系列二极管产品，由于设计上采用轴向引线设计思路，导致在应用过程中不可避免的使用PCB穿孔焊接，很难匹配目前用户设计需求。因此，开发一款基于玻钝轴向二极管工艺基础上的表贴产品，就成为了我们需要解决的当务之急。玻璃钝化U型封装表贴二极管的开发，很好的弥补了我公司玻钝系列二极管没有表贴产品选型的空白，具有很好的市场前景及应用价值。

同时在开发时我们还需注意以下两点要求：（1）工艺质量延续性。我公司生产的玻钝系列二极管产品，由研发至今已经历30多年历史，在各大军用项目中被广泛的使用，产品结构具有较强的质量可靠性，受到军方的一致好评。因此在开发U型封装产品时，需注重对轴向二极管的工艺延续性，以保证U型产品的设计可靠性。（2）工艺路线可量产性。在设计产品的工艺路线时，需考虑产品的工艺量产可能性，保证在由研发转入量产阶段时，该方案具有较好的量产适用性，能在最经济、最短的时间内实现产品系列的全面推广及应用。

2CZ5806U型产品结构设计

轴向结构2CZ5806产品的设计结构图。

图1　2CZ5806产品结构图

轴向型2CZ5806产品两端设计为引线安装方式，为我公司成熟玻钝整流二极管结构，设计上采用玻璃体包封，两端钼引线对向烧焊，具有较强的抗机械应力及密封性。但不具备表贴安装能力。

U型封装2CZ5806U产品的设计结构图。根据2CZ5806U型封装产品的实际使用需要，我公司设计了安装铜电极片的U型封装结构。

图2　2CZ5806U产品结构图

该结构具有以下几方面的优点：

具备表贴安装能力。两侧铜电极片的安装，使产品具备了在PCB板上进行表贴安装的能力，适应目前波峰回流焊工艺流水线生产需求。

质量可靠性。在原2CZ5806封装的基础上，进行工艺设计，延续了原产品的质量可靠性。

经济性。在投入资金最小的情况下，完成U型封装要求，即利用了原有的工艺流水线，同时满足了U型产品的开发需求。

在流程设计上，采用在轴向产品基础上，安装铜电极片的工艺路线，实现U型封装结构的工艺流程，其中，难点工序为采用何种工艺完成铜电极片的安装，在进行方案设计时，我们设计了以下几种方案：

通过应用U型片与引线间电阻值差的方法，采用电阻焊工艺实现U型片焊接的工艺研发方案；实现U型片焊接的工艺研发方案；通过激光环焊方式，实现U型片焊接的工艺研发方案。

U型产品研发方案的实施

针对采用电阻焊工艺实现U型封装的工艺研发方案。根据2CZ5806型产品外形，结合我公司U型封装片尺寸工艺，研发过程中设计了以下工装夹具，进行产品U型封装试验，具体如下图：

引线和U型电极片用可伐或铁镍材料，采用电阻焊的方式进行连接。

（1）方案一：设计电极A、电极B，由人为施加向外拉力，利用可伐引线与铜电极片之间的电阻差，在瞬间大电流的作用下，使引线与U型铜连接片的接触面之间形成熔融层，完成焊接。

（2）方案二：设计电极A、电极B，由人为施加向外拉力，利用可伐引线与铜电极片之间的电阻差，在瞬间大电流的作用下，使引线与U型铜连接片的接触面之间形成熔融层，此次调整电极片内孔孔型，由柱形调整为梯形结构，以加大接触面电流密度，最终快速形成焊接面。

（3）方案三：设计电极A、电极B，减小产品可伐引线墩头厚度，增加单位电流密度，由人为施加向外拉力，利用可伐引线与铜电极片之间的电阻差，在瞬间大电流的作用下，使引线与U型铜连接片的接触面之间形成熔融层，最终快速形成焊接面。

（4）方案四：重新设计焊接夹具，将产品引线做预处理，留下一部分引线端头用于焊接，将向外的拉力改为向内的压力，通过电极端A、B施加瞬间大电流，以形成焊接面。

在实际试验过程中出现以下问题：方案一、二、三最终均由于电极片散热，流经引线与电极间的电流集中发热于引线部分，导致焊接面未形成有效熔融，最终将引线熔断。方案四，调整产品焊接电流至焊接面形成焊接层，在电流的作用下热瞬间导入产品内部，由于U型封装产品整体尺寸要求，玻璃体距离U型焊片距离仅为1mm左右，导致产品外层玻璃体崩裂、芯片烧毁。

由于上面几种方案在实施过程中均出现不同情况的问题，于是研发过程中排除使用电阻焊方法实现U型玻封产品的方案。

针对添加焊料层的方式，实现U型片焊接的工艺研发方案。根据2CZ5806型产品外形，结合U型封装片尺寸工艺，研发过程中设计了以下焊接用工装夹具，进行产品U型封装试验，具体见图。

根据该图纸设计，研发过程中分别用焊膏、焊锡丝、焊片进行填充试验，试验结果为：使用PbSnAg焊膏进行焊接，焊接后由于焊膏挥发作用，导致玻璃体整体发黑，且难以有效去除；使用PbSnAg焊锡丝进行焊接，由于焊锡丝难以安装，导致在焊接后，焊锡不能很好的导入焊接孔内，引起产品局部虚焊；使用预加工PbSnAg焊片进行焊接，由于焊片预先安装于产品与焊片之间，在焊接后，由于焊料与Cu之间的浸润力作用，焊料较好的浸润入焊孔，焊接效果良好；添加焊料层的工艺方式，有较好的工艺适应性，适合工业化生产使用。

综合以上情况下，决定保留添加焊料层的工艺研发路线，以最终对比确定此次U型产品封装路线。

后期，为了进一步提高产品焊接面的可靠性，选用了中温AuGe焊料做为U型封装焊接材料，进行产品U型工艺封装。

采用激光环焊方式，实现U型片焊接的工艺研发方案。根据2CZ5806型产品外形，结合U型封装片尺寸工艺，研发过程中设计直接使用工业用激光焊接设备，对产品U型电极片进行焊接，结果如下：焊接过程中由于激光环焊热量过于集中且焊接时间较长，导致产品芯片由于高温作用烧毁，玻璃体融化变形；铜引线与U型片焊接面出现凹坑，U型片变形，严重影响焊接质量。

由于以上原因，在分析论证后，排除了使用激光环焊实现U型片的封装方案。

经过对以上三个实施方案进行评估，评估结论为：采用添加焊料层的方式，实现U型片焊接的工艺研发方案。该方案具有以下优点：

该方案在低于660℃的环境温度中对U型片进行封装，不会影响产品玻璃体及芯片整体性能，保证了产品电特性参数及钝化玻璃质量；方案同时具有较好的工艺适应性，不需对半成品进行较为复杂的预处理，具备工业化批量生产的能力。

轴向玻璃钝化封装二极管，由于其具有30年以上的军方使用历史，在此基础上，研发U型封装，可部分延续轴向实体封装的工艺路线，产品具有较高的参数可靠性。

U型产品可靠性性能试验情况。提供2CZ5806U型产品，送广州5所进行质量可靠性验证试验，试验一次通过；提供5只结构分析样管，送航天五院结构分析中心，进行产品结构分析试验，分析结论为宇航级适用。