浅谈平行缝焊工艺与技术

贵州振华风光半导体股份有限公司 商登辉 谌帅业 周 恒

平行缝焊工艺作为集成电路等元器件常用的一种密封工艺，特别是在陶瓷金属框架的高可靠气密性集成电路封装上应用广泛。通过SM8500和SSEC2400设备对平行缝焊工艺进行介绍以及工艺设置关键点的解析，同时通过工装夹具的灵活设计，提供了高良率的平行缝焊生产工艺，以满足批量化生产质量控制需求。

气密性平行缝焊工艺主要用于矩形、圆形、异形盖板类金属外壳或陶瓷基体金属框架外壳密封使用，其原理为两个平行的导电电极轮通过一定压力作用与盖板、外壳紧密接触，通过大电流以脉冲的形式融化盖板镀层在盖板上形成一系列重叠的焊点使盖板与管基经融化的镀层结合从而形成气密性的封装。在实际生产科研过程中，其工艺参数的设置、电极轮的选用、工装夹具的设计、管基盖板镀层的设计等都将影响产品的可靠性和成品率。因此，需要进行可靠的工艺设计等以达到产品质量和生产需求。

1 平行缝焊工艺设置关键点

1.1 SSEC和AMADA平行缝焊设备

SSEC与AMADA虽同为平行缝焊设备原理相同但工艺设置有所不同，前者在工艺设置中以功率作为导入，后者则直接以电流作为导入，作为使用感受来讲，SSEC设备拥有更加灵活个性化的自由特性，可以根据自身产品工艺需求进行深层次的工艺设计，但其缺点便是速度较慢，无法进行中间开始缝焊模式，AMADA设备脉冲曲线设置较为方便且缝焊速度较快，并且拥有中间缝焊模式能够避免常见的边角打火问题发生，但其程序较为固定，深层次的个性化使用需求欠佳。

1.2 平行缝焊中工艺的设置

在平行缝焊工艺中，影响缝焊质量的工艺参数主要为电流（功率）、脉冲宽度、周期、压力、速度、与尺寸设置。其中单个焊点的能量与电流（功率）和脉冲宽度成正比例关系，与速度周期成反比例关系，在实际中，压力和尺寸设置也是产品质量保证的关键因素，由于缝焊融化镀层的根本原理为融焊焊接，其接触电阻则是其中关键的因素，接触电阻首先由电极轮材料和盖板材料决定，其次由电极轮与盖板接触界面决定，当压力大时，接触电阻变小，压力小时，接触电阻变大。同时，过大的压力将对于如氧化铝陶瓷基体的外壳造成应力损伤，较小的压力又可能导致电极轮与盖板虚接产生高阻打火现象。因此合适的压力设置是工艺中关键的一点。其尺寸设置由具体产品的盖板尺寸决定，其常见的问题便是边角缝焊不充分、漏焊情况，因其电极轮存在角度和边角需要X-Y重叠密封，一般实际缝焊距离需大于盖板直线尺寸，则通过延迟距离进行补充。延迟距离是电极直径和高度调节的相关函数，为了达到密封的目的，必须在角落有一些重叠。当角点重叠大约在45°～60°时，效果最好。为了达到最好的缝焊效果，则存在半径与接触角的余弦倍数差值关系，结合锥形角度电极轮的直径渐变导致延迟距离的正相关渐变。

1.3 平行缝焊中夹具的设计

夹具在平行缝焊中的作用主要为外壳固定且热量传导散发的作用，因此，常见的平行缝焊夹具多用铝合金作为夹具主要制作材料。其固定设计通常采用机械禁锢、限位禁锢、磁吸、真空吸附等方式进行，具体需要根据产品外形和结构进行相应方式的选取。气密性平行缝焊中多数厂家呈现多品种小批量的生产特性，因此设计多功能可变的工装夹具便是一种需求，对于平行缝焊工艺使用较多的DIP型封装和CSOP型封装，可以使用组合夹具，应用滑动模块和螺旋挡板进行平面尺寸的多种调节，实现多产品的兼容共用。

1.4 不同设备间工艺设置的差异

虽然通过理论公式可以算出在相同单位能量下不同工艺参数的组合，但在实际应用中不同组合将呈现截然不同的缝焊效果，特别是不同设备间的差异更加巨大。在工艺设置中，常用有大压力、大功率、高速度的组合以及小压力、小功率、慢速度的组合，其使用需要根据实际的生产情况进行工艺设置和选择，对于SSEC设备和AMADA设备而言其多项工艺参数设置都有各自的理论基础，不能进行简单的原理计算和数值照搬，比如脉冲宽度，SSEC设备通常使用5ms～12ms左右的脉冲宽度能够得到较好的缝焊效果，AMADA则常用1.5ms～2ms左右的脉冲宽度，如果仅是一味照搬数值在SSEC设备上将出现焊接能量过小，盖板掉盖情况，AMADA设备上将会出现能量多大，盖板镀层立刻消融情况。

2 平行缝焊中常见的质量问题

气密性平行缝焊工艺中，常见的质量问题有打火、偏盖、漏气、瓷体裂纹（陶瓷基体）、玻璃绝缘子炸裂（圆引线外壳）、盖板凹陷以及盖板凸起、PIND检测不合格、内部气氛检测不合格等不良现象。对于打火不良，指的使电极轮在缝焊过程中或者缝焊开始/结束时产生的高阻放电现象，此不良将造成电极轮和盖板烧蚀，导致电极轮表面状态变化和产品漏气，在缝焊过程中的打火一般为压力设置过小或者电极轮/盖板表面存在沾污存在多余物，在缝焊开始/结束时的打火一般为电极轮不在同一水平面，解决方法为初始化和调节延迟距离。偏盖不良指的是盖板和管基缝焊环区域未完全重叠出现角度偏差，一般为人为放置偏差、设备运行过快抖动偏差或点焊参数过低盖板在缝焊时偏差。瓷体裂纹（陶瓷基体）、玻璃绝缘子炸裂（圆引线外壳）一般会导致漏气，其原因可能为工装设计不合理和工艺参数设置过大导致，漏气也有可能由缝焊不充分导致。

3 特殊情况下的平行缝焊

在平行缝焊中，会存在一些特殊应用情况，如对边长小于3mm的外壳进行平行缝焊和对涂覆金锡焊料环的盖板进行缝焊。一般对于小尺寸外壳管基产品平行缝焊会存在困难，当边长小于3mm时，需要针对性的重新设计电极轮来对小尺寸外壳进行匹配，建议针对小尺寸外壳电极轮角度设计为12°或15°，这样将会降低缝焊的焊缝宽度，电极轮缝焊面建议设计为1mm，以避免进行缝焊时左右电极轮的碰撞。金锡焊料环产品通常使用真空烧焊技术进行可靠的封接，但在有些特定情况下需要使用平行缝焊技术进行密封，由于金锡的熔点约为280℃相对于可伐合金材料过低，因此需要使用较小的工艺参数进行加工，对于长宽比较小的小外壳而言可以有效的封接，对于长宽比较大的大外壳而言，由于金锡环存在一定厚度（约0.05mm），金锡在融化的瞬间便会凝固，平行缝焊属于线性点焊，因此对于长宽比较大外壳容易出现封完一边后另一边因应力出现拱形形貌，使盖板中心处为最高点与管基分离。对此一般先对长边进行缝焊，随后对短边进行缝焊以尽可能规避此类相现象。但此现象造成的应力积累并不能避免。

对于以上情况，可以使用圆形缝焊等效替代进行解决，通过对矩形产品中心做对角线，最长对角线为拟合圆形直径，最长对角线的一半减去其中心最短垂直线为电极轮最小宽度，通过电极轮的针对设计以外壳几何中心为中心使电极轮与外壳直接接触外壳自转180°进行圆形缝焊，这样可以避免如打火等质量问题，并且由于电极轮在全过程与盖板接触，通过调节功率和速度可以使外壳得到类似金锡环融封工艺中所用的温升曲线。

综上，不同的设备之间工艺参数的调节存在很大的差异，且工艺的调节不能简单依靠理论以及在设备之间简单的数值转移。影响缝焊效果不仅有工艺设置的影响，还有夹具设计、电极轮设计的影响，对于一些平行缝焊分特殊情况，可以使用圆形缝焊进行解决和规避。