TO產(chǎn)品封焊過程質(zhì)量問題分析處理及預控措施

莊 園

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 封帽機整體介紹

封帽機是利用瞬間放電產(chǎn)生大電流完成碰焊封帽的設備。其過程是：上電極趨近下電極→接觸，形成接觸力即焊接力→瞬間放電產(chǎn)生大電流→上電極壓緊下電極，加壓形成鍛壓力→完成封帽→卸料[1]。

封帽機整體采用立式布局，并應用氣動、電控、真空、機械綜合技術。設備的關鍵技術是電極加壓系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和產(chǎn)品定位系統(tǒng)。電極加壓系統(tǒng)的作用是預壓被焊件，產(chǎn)生焊接力、鍛壓力，結合放電系統(tǒng)完成封帽過程。放電系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接能量。產(chǎn)品定位系統(tǒng)是保證穩(wěn)定同心度的核心部件。設備的另一核心技術是產(chǎn)品的全自動搬運技術。隨之自動化水平提升，全自動上下料已成為設備的主流技術。

封帽機應用氣動系統(tǒng)驅(qū)使上下電極接觸，提供放電所需壓力。焊接電源正負極分別連接上下電極，通過氣缸驅(qū)動形成焊接回路。管座、管帽和成品搬運應用電動系統(tǒng)實現(xiàn)高效供料。設備通過觸摸屏與PLC實現(xiàn)整機動作與焊接參數(shù)調(diào)整。設備整體流程圖如圖1。

2 焊機封焊產(chǎn)品

封帽機目前廣泛應用于光通訊行業(yè)光電器件的TO封裝，封裝主要由管座和管帽組成。封焊產(chǎn)品如圖2。

圖1 封帽機流程圖

圖2 封焊產(chǎn)品圖

TO管座，作為安裝半導體、激光二極管或簡單電路等電子和光學元件提供了機械基礎，同時通過引線為封裝元件提供電信號。探測器和激光器等光學元件特別容易受到環(huán)境的破壞。尤其是濕度，可使半導體元件迅速腐蝕，導致整個器件出現(xiàn)故障。因此這些元件需要提供可靠持久的保護。最常見的管座為LDTO座和PDTO座，即常稱為TO56和TO46管座。

在光電子領域中，TO管帽實現(xiàn)了兩大基本功能。首先，它們對傳輸和接收應用領域中的光學元件提供了持久可靠的保護。其次，作為光學接口，他們還確保了光學信號的順利傳輸。因此安裝在管帽中的窗口或透鏡的光學性質(zhì)必須達到相當高的要求。最常用的有普通球帽、2.0大球帽和非球帽三種。透鏡材料為BK7、SF6、SF8等，帽桶材料為KOVER和SF20F。

3 底座和管帽產(chǎn)品封焊焊接條件

產(chǎn)品封焊過程是對管座、管帽進行通電加壓，利用發(fā)熱焊接的工藝，進行熔融焊接與擴散結合。封焊過程示意圖如圖3。影響焊接質(zhì)量的諸因子稱為焊接條件。焊接條件有焊接電流、通電時間、電極加壓力和加壓波形、電流方向、電極的形狀和材質(zhì)、工作的材質(zhì)和表面狀態(tài)等有關。其中焊接電流、通電時間、電極加壓力是最重要的。

圖3 產(chǎn)品封焊示意圖

3.1 焊接電源

焊接電源提供焊接過程輸出穩(wěn)定的能量保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量可靠，在TO產(chǎn)品焊接過程中一般使用三種類型電源。分別為電容儲能電源、逆變電源和晶體管電源。

逆變和晶體管電源輸出為電流，焊接過程可以檢測到焊接電流的“下限值”、“上限值”和“無通電檢測”。上下限設置是反饋焊接電流輸出是否穩(wěn)定。無通電檢測是，在焊接電流連續(xù)并沒有設定值以上的情況下，發(fā)出錯誤警報。

1) 電容儲能：充多少電放多少，可控性較差，通常有調(diào)節(jié)充電電壓和電容量兩種方式，使用時間長以后，電容充放電不完全時需要更換電容，以防止能量不穩(wěn)定。整體生產(chǎn)速度較慢。

一般只能恒壓控制，不能選擇恒流控制模式。只能調(diào)節(jié)電壓，不能調(diào)節(jié)加熱電流。

2) 逆變電源：輸出能量控制精度高，穩(wěn)定一致，可以設置電流的緩升緩降，使電流柔順變化。緩升可以防止開始過快加熱帶來的飛濺，緩保壓可以減少冷卻速度，確保熔化金屬在壓力下結晶冷卻，防止焊核疏松和其它缺陷?？梢詫崿F(xiàn)多段電流焊接，焊接時間可精密可調(diào)。

3) 晶體管電源：不需要變壓器，大多使用220 V電，現(xiàn)場的電氣施工相對簡單。晶體管相對于閉環(huán)儲能焊接，他將能量儲存后用MOS管高頻開關將能量傾斜出來，放電時間短最大10 ms。

3.2 焊接壓力

在產(chǎn)品封焊過程中，首先保證管帽和管座充分結合，行業(yè)稱為放電壓力。在放電完成后為了焊縫可靠融合應加一大壓力使產(chǎn)品更好融合，常稱為段壓力?，F(xiàn)有封帽行業(yè)有氣缸和伺服壓力兩種方式提供壓力。氣缸經(jīng)濟實惠控制簡單，應用普通產(chǎn)品對壓力精度要求不高的成品。隨著行業(yè)不斷發(fā)展在高端產(chǎn)品封焊過程中要求壓力精度高，應選擇伺服壓機提供壓力。

3.3 焊接參數(shù)選擇

要得到好的焊接質(zhì)量，焊接電流、通電時間和加壓力是重要焊接條件。加壓力大時電阻變小，焊接強度不夠，但是焊接電流和焊接時間過長就產(chǎn)生過量的發(fā)熱容易引起飛濺火花。產(chǎn)品質(zhì)量與電流和壓力關系如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品質(zhì)量關系圖

3.4 焊接電極

焊接過程中，電極主要有三大作用，傳導電流、傳遞壓力和散熱。產(chǎn)品焊接時用大壓力壓住焊接部位，保證管帽和管座的充分結合，同時產(chǎn)生平均的熱分布，使電流集中。在焊接完成時電極能促進焊接部位的冷卻，保證焊縫牢固。電極材質(zhì)一般有如下要求：

1) 導電率高，通大電流也不易發(fā)熱。

2) 熱傳導高，即使發(fā)熱也能馬上冷卻。

3) 機械強度，即使在高溫狀態(tài)也能保持硬度。

4) 不易與被焊接物形成合金，即不會粘電極。

通常這些要求在選用電極材料時未必都能滿足，因此在焊接不同材料是，應對電極材料綜合考慮。常用的電極材料性能表如表1。

表1 電極材料性能表

4 常見焊接質(zhì)量問題及解決方法

4.1 常見焊接質(zhì)量問題

在產(chǎn)品封焊過程中，由于電極材質(zhì)、孔徑大小和焊接參數(shù)等因素，會造成焊接產(chǎn)品不良，造成經(jīng)濟損失。常見的質(zhì)量問題如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品缺陷圖

4.2 解決方法及預控措施

在實際焊接過程中，焊接條件不合適的話，可能會損壞電極和產(chǎn)品。因此在批量焊接產(chǎn)品前，進行幾次測試焊接，找到最佳條件后，進行批量封焊。在試驗焊接產(chǎn)品時候，應先確認上下電極平行度和去除電極污垢后，從小的焊接電流開始進行封焊。

封焊產(chǎn)品電極是一種易損件，應定期檢查電極固定部分有無松弛，磨損狀態(tài)。如有磨損嚴重及時更換電極，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量。在更換新的電極時首先測試電極的加工精度，平行度和粗糙度，安裝完成后應用感壓紙，測試上下電極的平行度。在產(chǎn)品封焊過程中常見的缺陷解決辦法如表2。

表2 產(chǎn)品缺陷解決方法

5 結論

封帽機是光通信同軸封裝行業(yè)中的關鍵設備，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和效率是設備的關鍵指標。本文介紹的封帽機是一款全自動上下料封焊設備，極大提高了生產(chǎn)效率解放了勞動力，且分析了焊接過程中可能存在的質(zhì)量問題，并給出相應的解決方法和預控措施，提高了實際生產(chǎn)過程中設備運行的可靠性。