平行縫焊工藝的熱效應(yīng)研究

李宗亞，陳　陶，仝良玉，肖漢武

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

平行縫焊工藝的熱效應(yīng)研究

李宗亞，陳陶，仝良玉，肖漢武

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

平行縫焊作為一種高可靠性的氣密性密封方法，在陶瓷封裝行業(yè)中有著愈發(fā)重要的應(yīng)用。封焊過程中瞬間產(chǎn)生的高能量在完成密封的同時(shí)，會(huì)對(duì)陶瓷外殼造成很高的熱應(yīng)力殘留，可能會(huì)對(duì)器件可靠性產(chǎn)生影響。介紹了平行縫焊的工作原理及工藝參數(shù)，并通過使用ANSYS軟件對(duì)工藝過程中的各參數(shù)進(jìn)行熱仿真分析，研究平行縫焊工藝參數(shù)對(duì)陶瓷封裝的熱影響。

平行縫焊；陶瓷封裝；仿真

1　引言

半導(dǎo)體器件氣密性封裝的主要目的是確保芯片與外界環(huán)境的隔絕，避免外界有害氣體的侵襲，限制封裝腔體內(nèi)的水汽含量等。平行縫焊是為了適應(yīng)雙列直插式集成電路金屬管殼封裝而發(fā)展起來的一種微電子器件封裝技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和軍事電子裝備所用的高可靠性元器件中［1］。這種氣密性封裝工藝與其他熔封工藝相比，主要的優(yōu)點(diǎn)是封裝管殼局部高溫。所以，對(duì)溫度敏感的器件（經(jīng)高溫后性能會(huì)變化或可靠性趨向于不良）、器件要求承受瞬間超高加速度沖擊或韌性好的器件一般采用平行縫焊密封的封裝結(jié)構(gòu)［2］。文章介紹平行縫焊的工作原理及關(guān)鍵工藝參數(shù)，重點(diǎn)討論在陶瓷封裝中運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行平行縫焊

2　平行縫焊的工作原理及工藝參數(shù)

2.1工作原理簡介

平行縫焊屬于電阻熔焊，當(dāng)兩個(gè)圓錐形滾輪電極施加在蓋板兩條對(duì)邊邊緣上，脈沖焊接電流從一個(gè)電極通過蓋板和焊框，再從另一個(gè)電極回到焊接電源形成回路。由于電極與蓋板及蓋板與焊框之間存在接觸電阻，焊接電流將在這兩個(gè)接觸電阻處產(chǎn)生焦耳能量。結(jié)果使蓋板與焊框之間局部形成熔融狀態(tài)，凝固后形成一個(gè)焊點(diǎn)。在焊接過程中，焊接電流是脈沖式的，每一個(gè)脈沖電流可以形成一個(gè)焊點(diǎn)，由于管殼作直線（也可以是旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)，電極在蓋板上滾動(dòng)，因此，集成電路外殼蓋板的兩個(gè)邊形成兩條平行的由彼此重疊的焊點(diǎn)組成的連續(xù)焊縫，如圖1所示。只要選擇好焊接范圍，就可以使彼此交迭的焊點(diǎn)形成一條氣密性非常好的焊縫，如圖2所示［3］。

圖1　平行縫焊的工作原理

圖2　縫焊過程中的重疊效果

2.2工藝參數(shù)

平行縫焊的工藝參數(shù)主要有：焊接功率P、脈沖寬度PW、周期時(shí)間RT、速度S、壓力F。改變這幾個(gè)參數(shù)中的任何一項(xiàng)都會(huì)影響縫焊過程中所產(chǎn)生的熱量，具體分析如下：平行縫焊的焊接信號(hào)是一系列的脈沖串，每個(gè)脈沖串包含一個(gè)或多個(gè)脈沖，脈沖寬度PW決定著每個(gè)脈沖串的大小，重復(fù)周期RT決定著每隔多少時(shí)間脈沖重復(fù)一次，焊接功率P決定著脈沖串幅度的大小，如圖3所示。速度S決定著焊點(diǎn)的重復(fù)，影響單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量。電極壓力F決定著縫焊過程中電極對(duì)蓋板的接觸電阻，從而影響由焊接電流產(chǎn)生的能量。

圖3　焊接脈沖

一般地，形成單個(gè)脈沖能量和相鄰焊點(diǎn)間的中心距離可以表示為［4］：

單個(gè)脈沖能量=P×PW

相鄰焊點(diǎn)間的中心距離=S×RT

由此可以計(jì)算出單位焊接時(shí)間的能量和單位焊接長度的能量：

單位焊接時(shí)間的能量=（P×PW）/RT

單位焊接長度的能量=（P×PW）/（RT×S）

一旦PW和RT被設(shè)置，它們一般保持不變，否則一個(gè)很小的變化就會(huì)導(dǎo)致傳送到管殼上的焊接能量發(fā)生巨變［5］。

在實(shí)際焊接過程中，會(huì)遇到有些陶瓷外殼，完成平行縫焊工藝進(jìn)行后續(xù)檢漏均正常，但在經(jīng)過溫度循環(huán)和恒定加速度等篩選試驗(yàn)后，再次檢漏發(fā)現(xiàn)外殼有漏氣現(xiàn)象。對(duì)漏氣電路進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)漏氣位置基本上位于柯伐焊環(huán)與陶瓷體結(jié)合部位或者柯伐焊環(huán)下方陶瓷層。平行縫焊過程中瞬間產(chǎn)生的高熱量會(huì)對(duì)陶瓷外殼造成熱沖擊。在后續(xù)可靠性試驗(yàn)時(shí)，由于殘留應(yīng)力經(jīng)可靠性試驗(yàn)后得以累加并最終釋放而導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低，最后出現(xiàn)分層或炸裂而漏氣。部分國產(chǎn)外殼由于設(shè)計(jì)等緣故陶瓷本身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不夠高，該問題可能更嚴(yán)重。

3　縫焊參數(shù)的熱仿真

采用有限元仿真方法對(duì)平行縫焊工藝的熱效應(yīng)進(jìn)行仿真分析，可以方便地獲得器件的溫度分布、應(yīng)力分布。同時(shí)，也便于對(duì)不同工藝參數(shù)帶來的影響進(jìn)行比較。本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)縫焊過程的熱效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)比較不同工藝參數(shù)組合下對(duì)器件的溫度、應(yīng)力分布。

平行縫焊過程中，電流流過電極與蓋板之間的接觸電阻時(shí)，產(chǎn)生的熱量是焊接熱量的主要來源。當(dāng)給定一個(gè)電流時(shí)，焊接熱量的大小取決于電極與蓋板間的接觸電阻；而接觸電阻的大小又與蓋板接觸邊緣的鋒利程度和施加的壓力大小有關(guān)。在實(shí)際工藝中，接觸電阻的大小很難定量，仿真中將焊接熱量等效為蓋板與電極接觸面的熱源，采用瞬態(tài)分析方法比較不同的加熱功率、脈沖寬度、電極速度時(shí)，器件的溫度與應(yīng)力情況。

由于接觸電阻難以精確測(cè)量，實(shí)際的加熱功率無法準(zhǔn)確定量，因此仿真采用的加熱功率與實(shí)際加熱功率會(huì)存在差別，但在用于比較不同參數(shù)的影響趨勢(shì)時(shí)，此方法是可行的。

3.1仿真模型及參數(shù)

為簡化計(jì)算量，采用1/4模型。仿真基于一款CSOP8陶瓷外殼，其模型由三部分組成：蓋板-封口環(huán)-瓷體，圖4為三維仿真模型結(jié)構(gòu)及模型的網(wǎng)格劃分，由于電極與蓋板的接觸面積較小，對(duì)接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。

圖4　仿真模型及網(wǎng)格劃分

其模型參數(shù)如表1所示。

表1　模型參數(shù)

本文主要分別對(duì)脈沖占空比PW/RT、電極速度S、焊接功率P幾個(gè)焊接參數(shù)的熱效應(yīng)進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)，固定其他參數(shù)不變，改變某一參數(shù)值，比較此參數(shù)值不同時(shí)器件的溫度分布及應(yīng)力分布情況。

3.2脈沖占空比（PW/ RT）的仿真結(jié)果比較

設(shè)定不同的脈沖占空比，除PW不同，其他參數(shù)均相同（見表2）。仿真4個(gè)焊接周期（時(shí)長0.2 s）后，器件的溫度分布、應(yīng)力情況。

表2　脈沖占空比不同

3.2.1蓋板溫度分布

圖5顯示了兩種條件下蓋板表面焊點(diǎn)周圍的溫度分布情況。

圖5　蓋板溫度分布對(duì)比

從圖5中可以看出，脈沖占空比變大，蓋板溫度變得更高，這主要是由于峰值功率不變，但平均功率變大，縫焊加熱是在PW時(shí)間內(nèi)由電極到蓋板表面消耗的功率完成的，冷卻是在（RT-PW）時(shí)間間隔內(nèi)完成的。脈沖寬度PW變長，使得加熱時(shí)間變長，同時(shí)相對(duì)的（RT-PW）時(shí)間變短，冷卻時(shí)間變得更短，會(huì)有更多的熱量傳遞到蓋板。

3.2.2陶瓷瓷體溫度變化曲線

圖6顯示了兩種條件下陶瓷外殼瓷體溫度的變化情況，從圖中可以看出，脈沖占空比變大，陶瓷瓷體溫度變得更高，這主要是由于瓷體的冷卻時(shí)間變短，更多的熱量傳遞到瓷體。

3.2.3瓷體熱應(yīng)力變化

從圖7中可以看出，當(dāng)脈沖占空比變大時(shí)，熱應(yīng)力也變大，這與瓷體溫度更高是一致的。從中可以明顯看到，瓷體應(yīng)力最大處位于角部，這與檢測(cè)中漏氣多發(fā)生在角部一側(cè)的實(shí)際結(jié)果也是相符的。

圖6　陶瓷瓷體溫度曲線對(duì)比

圖7　陶瓷瓷體熱應(yīng)力對(duì)比

3.3電極速度S的仿真結(jié)果比較

設(shè)定不同的電極速度S，其他參數(shù)均相同（見表3），由此計(jì)算比較外殼的溫度、應(yīng)力情況。

此外，谷祺教授還曾于1992～1993年在《遼寧財(cái)會(huì)》連續(xù)發(fā)表了十幾篇有關(guān)資產(chǎn)評(píng)估的學(xué)術(shù)論文，對(duì)資產(chǎn)評(píng)估的理論與方法進(jìn)行了系統(tǒng)論述，并就其中的一些核心問題提出了獨(dú)到見解，對(duì)于完善資產(chǎn)評(píng)估學(xué)的學(xué)科體系做出了積極、有益的貢獻(xiàn)。

表3　電極速度不同

3.3.1蓋板溫度分布

由圖8可知，由于峰值功率P及平均功率相同，電極速度的變化并不會(huì)影響蓋板上的最高溫度。

3.3.2陶瓷瓷體溫度變化曲線

由圖9可知，電極速度變快，陶瓷瓷體溫度變低，這是因?yàn)楫?dāng)電極速度變快，焊接功率保持不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的能量變小，傳導(dǎo)到瓷體的溫度也會(huì)變低。

圖8　蓋板溫度分布對(duì)比

圖9　陶瓷瓷體溫度曲線對(duì)比

3.3.3瓷體熱應(yīng)力變化

由圖10可知，電極速度變快，熱應(yīng)力也變小，

這主要是由于瓷體溫度變低所致。

圖10　陶瓷瓷體熱應(yīng)力對(duì)比

設(shè)定不同的焊接功率P，其他參數(shù)均相同（見表4），計(jì)算比較外殼的溫度、應(yīng)力情況。

表4　焊接功率不同

3.4.1蓋板溫度分布

圖11的仿真結(jié)果顯示，當(dāng)焊接功率P增大一倍時(shí)，平均功率及總的能量也增大一倍，相應(yīng)的蓋板溫度增大了一倍左右。

圖11　蓋板溫度分布對(duì)比

3.4.2陶瓷瓷體溫度變化曲線

由圖12可知，陶瓷瓷體溫度隨焊接功率P增大而變得更高，這主要是由于縫焊過程中產(chǎn)生的總能量增大，更多的熱量傳遞到瓷體。

圖12　陶瓷瓷體溫度曲線對(duì)比

3.4.3瓷體熱應(yīng)力變化

由圖13可知，當(dāng)焊接功率P變大，熱應(yīng)力也相應(yīng)變大，這主要是由于瓷體溫度更高所致。

3.5不同參數(shù)組合的仿真結(jié)果比較

最后，對(duì)幾組參數(shù)的不同組合的綜合效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。這幾組參數(shù)的兩種組合情況見表5。圖14為兩種組合條件下的陶瓷瓷體熱應(yīng)力分布情況，從中可以看出，盡管兩組參數(shù)有著相似的焊接效果，但陶瓷瓷體上的熱應(yīng)力卻有著很大的差別。相比之下，2#參數(shù)組合對(duì)于管殼的熱沖擊更小，可靠性也更高。

圖13　陶瓷瓷體熱應(yīng)力對(duì)比

表5　不同參數(shù)組合比較

圖14　陶瓷瓷體熱應(yīng)力對(duì)比

4　結(jié)論

根據(jù)上述仿真計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）為減少陶瓷管殼所受到的熱沖擊，在脈沖周期內(nèi)脈沖寬度一定要短，盡可能地降低脈沖占空比；（2）僅改變電極速度時(shí)，蓋板上的峰值溫度并不會(huì)變化，但單位距離的平均能量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳導(dǎo)到瓷體的溫度也會(huì)改變，電極速度越快，瓷體溫度也越??；（3）焊接功率的大小直接影響著縫焊過程中產(chǎn)生的總能量；（4）縫焊參數(shù)的不同組合對(duì)外殼帶來的熱沖擊也不同，較低的平均功率帶來的熱沖擊也相應(yīng)更低，因此在保證焊縫質(zhì)量的前提下，應(yīng)使平均功率盡可能低。

本文關(guān)于平行縫焊工藝參數(shù)熱效應(yīng)的分析研究，目前僅僅還是一個(gè)初步的仿真計(jì)算。由于實(shí)際縫焊過程較為復(fù)雜，某些因素在仿真計(jì)算中并沒有考慮進(jìn)去，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果會(huì)有出入。本項(xiàng)研究的目的在于了解這些關(guān)鍵因素的影響趨勢(shì)，并通過仿真計(jì)算結(jié)果來指導(dǎo)工藝參數(shù)的組合和調(diào)整。

［1］ 況延香，朱頌春. 微電子封裝技術(shù)［M］. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.

［2］ 羅輯，趙和義. 軍用電子元器件質(zhì)量管理與質(zhì)量控制［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［3］ 張彩云. 電阻焊接技術(shù)及其設(shè)備［J］. 電子工藝技術(shù)，2003， 5：201-203.

［4］ SSEC公司. Model 2400e PARALLEL SEAM SEALING SYSTEM ［Z］. 2003.

［5］ 郭建波. 影響平行縫焊效果的各工藝參數(shù)的分析［J］. 電子與封裝，2010.

A Study of Thermal Effects on Parallel Seam Sealing Process

LI Zongya， CHEN Tao， TONG Liangyu， XIAO Hanwu
（Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China）

As a high reliability hermetic sealing technology， parallel seam sealing has more and more important applications in ceramic packaging industry. It will induce high residual thermal stresses by instantaneous large energy when during sealing process. And this maybe will affect the reliability of device after the subsequent test. The article introduces the theory and parallel seam sealing process parameters， and focuses on studying the thermal effects of process parameters by using the ANSYS simulation.

parallel seam sealing； ceramic packaging； simulation參數(shù)的熱效應(yīng)仿真分析，并給出了相應(yīng)的分析結(jié)果。

TN305.94

A

1681-1070（2015）03-0001-04

李宗亞（1966—），男，1988年畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)任無錫中微高科電子有限公司副總經(jīng)理，主要從事封裝工藝技術(shù)、質(zhì)量管理等工作；

2014-10-29

陳陶（1988—），男，江蘇宜興人，本科，現(xiàn)從事集成電路封裝工藝、失效分析及可靠性的相關(guān)研究工作。