平行縫焊殼體溫升影響研究

徐 煬，李茂松，倪乾峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24研究所，重慶 400060）

1 引言

平行縫焊是一種使器件整體溫升較小、溫升持續(xù)時(shí)間短、可靠性高的封帽方式，普遍用于陶瓷外殼封裝和金屬外殼封裝[1]。但是，伴隨著器件體積越來(lái)越小，平行縫焊所產(chǎn)生的能量足以使器件溫度短時(shí)間上升到一定的程度，使器件內(nèi)部的粘接材料分解或者二次熔化，造成器件內(nèi)部氣氛失效、剪切強(qiáng)度失效或者PIND失效。這些失效方式不能通過(guò)肉眼觀察等手段提前發(fā)現(xiàn)，只能通過(guò)后期考核實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)器件本身來(lái)說(shuō)是致命的，同時(shí)也造成產(chǎn)品批量失效，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

所以，外殼封裝時(shí)，需要充分考慮參數(shù)對(duì)器件整體溫升的影響，避免因器件溫升過(guò)高導(dǎo)致的批量產(chǎn)品失效的情況發(fā)生。

2 平行縫焊簡(jiǎn)介

平行縫焊是一種電阻焊，主要利用多個(gè)單焊點(diǎn)相互串聯(lián)、重疊而形成密封。焊接示意圖如圖1所示，焊點(diǎn)示意圖如圖2所示。

平行縫焊可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，但其總能量主要由以下幾個(gè)工藝參數(shù)決定：焊接功率（P）、脈沖寬度（PW）、脈沖重復(fù)時(shí)間（PRT）、焊接速度（S）以及焊接長(zhǎng)度（L）[2]。為了研究平行縫焊對(duì)殼體溫升的影響，需要對(duì)能量公式進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的了解，總能量和單位長(zhǎng)度的能量可以表示為式（1）和式（2）：

上述能量公式所計(jì)算出的能量代表設(shè)備所釋放出的總能量。

圖1 焊接示意圖

圖2 焊點(diǎn)示意圖

在縫焊過(guò)程中，蓋板邊緣與底座封接環(huán)之間產(chǎn)生一個(gè)接觸電阻R，蓋板與底座封接環(huán)接觸處產(chǎn)生的熱量可以由焦耳定律 得出[3]。由于蓋板與底座封接環(huán)之間的接觸電阻是一個(gè)變化值，受表面粗糙度（潔凈度）、壓力以及接觸面積等的影響，進(jìn)而對(duì)接觸電阻R產(chǎn)生影響，從而影響施加在電路上的能量。

3 溫升定量測(cè)量方法簡(jiǎn)介

本研究主要采用AD公司的AD590溫度傳感器芯片進(jìn)行測(cè)試。AD590線性電流輸出為1 μA/K，溫度測(cè)試范圍為-55 ～150 ℃，驅(qū)動(dòng)電壓為4 ～30 V。

3.1 測(cè)試樣品制備

利用金錫焊料將AD590芯片（1.6 mm×1.6 mm×0.3 mm）以燒結(jié)的方式貼裝在外殼內(nèi)，并采用30 μm金絲對(duì)樣品進(jìn)行鍵合。在樣品實(shí)際制備過(guò)程中，考慮到需要盡可能真實(shí)地反映外殼封帽時(shí)的溫升情況，故AD590芯片采用燒結(jié)方式貼片，并且貼放在靠近外殼邊緣的位置（此位置離縫焊邊緣最近，能反映出外殼溫升的真實(shí)情況）。

貼裝方式如圖3所示。

圖3 貼裝示意圖

3.2 測(cè)試平臺(tái)和原理

測(cè)試時(shí)，將電壓源、六位半數(shù)字萬(wàn)用表和測(cè)試用樣品通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)行串聯(lián)，在樣品封帽過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注數(shù)值萬(wàn)用表的電流輸出值。此數(shù)值即表示此刻芯片的溫度值，同時(shí)也表征AD590芯片貼片處最大值，另外也能反映出殼體此刻的溫度。

當(dāng)顯示數(shù)值達(dá)到最高點(diǎn)并穩(wěn)定時(shí)，記錄下該數(shù)值，即代表AD590芯片所達(dá)到的最高溫度值，此數(shù)值即代表殼體的最高溫度。例如靜態(tài)測(cè)試時(shí)，儀表上顯示值為298 μA，即芯片溫度為298 K，此時(shí)的芯片溫度即為環(huán)境溫度，換算成攝氏溫度為298-273=25 ℃。

4 溫升影響研究

4.1 實(shí)際測(cè)量與結(jié)果

本次測(cè)量主要反映相同平封工藝參數(shù)對(duì)不同體積外殼的溫升影響，以及相同能量輸出的情況下，不同平封工藝參數(shù)組合對(duì)殼體溫升的實(shí)際影響。

測(cè)試1：采用相同工藝參數(shù)對(duì)不同腔體體積外殼封帽，并連續(xù)進(jìn)行兩次封帽，測(cè)試外殼溫升情況。

本實(shí)驗(yàn)采用3種體積不同的外殼，外殼型號(hào)分別為MQ1616、UP2520以及MQ3728，外殼體積及封帽所使用的參數(shù)如表1所示。

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出，采用上述參數(shù)封帽參數(shù)的單位長(zhǎng)度能量為（2 200×7）/（50×7）=44（J/mm）。

利用AD590溫度傳感器上述方案進(jìn)行測(cè)試，外殼溫升結(jié)果如表2所示。

表1 外殼體積及封帽參數(shù)

從表2可以看出，采用相同的工藝參數(shù)對(duì)不同體積外殼進(jìn)行封帽，其外殼溫升不同，隨著外殼體積的增加，外殼溫升越小。從實(shí)際測(cè)量情況來(lái)看，當(dāng)封帽完成的瞬間，外殼溫升并沒(méi)有達(dá)到最高值，通常在封帽完成后的5 s內(nèi)溫度達(dá)到最大值。

表2 外殼溫升結(jié)果

測(cè)試2：采用不同工藝參數(shù)（設(shè)備釋放總能量相同）對(duì)相同外殼進(jìn)行封帽，并測(cè)試外殼溫升情況。

本次試驗(yàn)采用MQ2520金屬外殼進(jìn)行試驗(yàn)，采用表3參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 封帽參數(shù)及單位長(zhǎng)度能量

通過(guò)AD590溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，第一組溫度為50～60 ℃，第二組溫度為 70～80 ℃，第三組溫度為 80～90 ℃。

通過(guò)上述參數(shù)以及溫度進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，即使設(shè)備釋放出相同能量，但由于速度和重復(fù)時(shí)間組合不同，導(dǎo)致外殼的整體溫升不同。通常情況下，速度越快，重復(fù)時(shí)間越短，外殼溫升越高。

4.2 水汽結(jié)果測(cè)試法

本試驗(yàn)采用體積較小的DH08外殼進(jìn)行試驗(yàn)，并采用絕緣漆對(duì)電路進(jìn)行粘接。兩組樣品按照絕緣漆要求的常規(guī)工藝同時(shí)貼片、固化以及封前烘培，以保證兩種樣品封帽前狀態(tài)一致。樣品封帽時(shí)采用兩種不同參數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行封帽：其中一組參數(shù)為常規(guī)封帽參數(shù)，另外一組為非常規(guī)工藝參數(shù)，但兩組封帽參數(shù)按照能量公式所計(jì)算出的總能量相同。封帽后對(duì)樣品進(jìn)行密封檢測(cè)，然后對(duì)兩組樣品同時(shí)進(jìn)行水汽測(cè)試，觀察樣品內(nèi)部氣氛的情況。封帽參數(shù)如表4所示。

表4 封帽參數(shù)

按照上述兩組參數(shù)各投入3只（第1組編號(hào)為1-1～1-3，第2組編號(hào)為2-1～2-3）樣品進(jìn)行封帽和氣密性檢測(cè)。樣品全部滿足氣密性要求，通過(guò)顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)采用參數(shù)2的樣品熔化效果明顯好于采用參數(shù)1的樣品熔化效果。水汽檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 水汽檢測(cè)結(jié)果

從表5可以看出，采用參數(shù)1和參數(shù)2同時(shí)加工的樣品，其內(nèi)部氣氛有很大的區(qū)別。采用參數(shù)1的3只樣品內(nèi)部水汽、二氧化碳以及氫氣含量明顯偏高，是第二組樣品的10倍?？紤]到兩組樣品封前狀態(tài)一致，并同時(shí)在同一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行封帽，因此造成這些差別的主要原因是外殼體積不同，封帽所產(chǎn)生的熱量累積不同，使外殼溫升不同。參數(shù)1所封帽的外殼溫升較大，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部的絕緣膠粘接材料再次釋放大量的水汽，造成水汽檢測(cè)結(jié)果大于5 000×10-6。

另外，雖然兩組參數(shù)通過(guò)式（2）所計(jì)算出單位長(zhǎng)度能量相同，但外殼封接環(huán)熔化效果以及外殼整體溫升不同，故式（1）和（2）所計(jì)算出的能量只能作為一個(gè)參考，還必須綜合考慮加工速度以及外殼整體溫升情況。

4.3 燒結(jié)材料封帽前后形貌測(cè)試法

本實(shí)驗(yàn)采用體積較小的F08-05外殼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)腔體積約為0.01 cm3，兩組樣品按鉛錫銀焊料要求的常規(guī)工藝同時(shí)貼片和封前烘培，以保證兩種樣品封帽前狀態(tài)一致，但樣品封帽時(shí)采用兩種不同參數(shù)進(jìn)行封帽：其中一組參數(shù)為常規(guī)封帽參數(shù)，另外一組為非常規(guī)工藝參數(shù)，按照能量公式對(duì)兩組參數(shù)總能量進(jìn)行計(jì)算，常規(guī)參數(shù)總能量略大于非常規(guī)工藝參數(shù)總能量，封帽后對(duì)樣品開(kāi)蓋檢測(cè)其內(nèi)部的燒結(jié)材料是否有二次熔化的情況。封帽參數(shù)如表6所示。

表6 封帽參數(shù)

按照上述兩組參數(shù)各投入2只（第1組編號(hào)為1-1～1-2，第2組編號(hào)為2-1～2-2）樣品進(jìn)行封帽和氣密性檢測(cè)。樣品全部滿足氣密性要求，通過(guò)顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)采用參數(shù)2的樣品熔化效果也明顯好于采用參數(shù)1的樣品熔化效果。封帽前樣品燒結(jié)情況鋪展情況如圖4所示，封帽后兩組樣品焊料二次熔化情況如圖5所示。

圖4 封帽前焊料形貌

從圖5可以看出，采用第1組參數(shù)封帽的樣品，其內(nèi)部燒結(jié)材料已經(jīng)發(fā)生二次熔化，并且侵蝕了鍵合接地線，造成鍵合拉力失效；采用第2組參數(shù)封帽的樣品，其內(nèi)部燒結(jié)材料并無(wú)明顯鋪展現(xiàn)象，對(duì)鍵合接地線無(wú)影響，而鉛錫銀的熔化溫度為290 ℃，說(shuō)明參數(shù)1所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)對(duì)器件的溫升較大。

根據(jù)兩組參數(shù)理論結(jié)算值來(lái)看，第1組參數(shù)的單位長(zhǎng)度理論能量略微小于第2組參數(shù)的理論值。從理論上來(lái)說(shuō)，參數(shù)2施加在外殼上的總能量要大參數(shù)1，但由于重復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，以及封帽速度較慢，使得外殼實(shí)際散熱時(shí)間更長(zhǎng)，累積在外殼上的熱量有充分的時(shí)間散熱，故外殼整體溫升較小。所以設(shè)置封帽參數(shù)時(shí)，要充分考慮參數(shù)的組合，不能盲目機(jī)械地照搬理論值。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著外殼體積的不斷減小，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行封帽時(shí)，需要考慮平封參數(shù)對(duì)外殼溫升的影響，從而降低外殼溫升對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。由于平封參數(shù)組合較多，在確定產(chǎn)品封帽參數(shù)時(shí)，不能機(jī)械地按照能量公式，需要考慮單個(gè)參數(shù)變化對(duì)殼體溫升的影響，在保證產(chǎn)品氣密性的同時(shí)又不會(huì)造成其他方面的失效。這就需要工藝人員對(duì)平封各參數(shù)深刻的理解，并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得出一個(gè)合理的參數(shù)組合，一個(gè)合理的封帽工藝參數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。

圖5 封帽后兩組樣品焊料二次熔化形貌

[1] 郭建波，等. 影響平行縫焊效果的各工藝參數(shù)分析[J].電子與封裝，2010, 6（6）.

[2] 李茂松，等. 平行縫焊工藝抗鹽霧腐蝕技術(shù)研究[J]. 微電子學(xué)，2011, 3（6）.

[3] 肖清惠，等. 電極對(duì)平行縫焊的影響[J]. 電子與封裝，2012, 9（9）.