论文部分内容阅读
摘 要：本文阐述了平行缝焊的工作原理及优缺点，介绍了平焊的工作过程和条件，同时指出了工艺优化方向。
关键词：平行缝焊 工作原理 工作过程 工艺优化
一、引言
半导体封装方法有很多，根据管壳的不同，半导体封装方法也不同，对于陶瓷管壳主要有：
1.环氧粘接法：环氧粘接法是利用高强度聚酯漆进行封装的一种方法。
2.低熔点合金封装：它是利用熔点为300℃～400℃左右的低熔点合金焊料，在保护性气氛和真空条件下，通过烧结，将电路盖板和底座熔接起来的一种封装方法，例如SOT-23C封装。
3.黑陶瓷低熔点玻璃封装：黑陶瓷低熔点玻璃封装主要用于双列直插式封装结构。
4.平行缝焊法：它的封装原理是通过两个圆锥形滚轮电极压住待封装的金属盖板和底座框，焊接电流从一端的电极流到另外一个，整个回路的高阻点在金属盖板与底座框的接触处，高阻点通过大量电流发热，形成一个焊点而使盖板与底座框被焊接上，例如SMD、TO-254、TO-257封装。
二、平行缝焊的原理
1、基本原理
平行缝焊的基本原理如图1所示。平行缝焊属于电阻熔焊，当两个圆锥形滚轮电极压在盖板的两条对边上，脉冲焊接电流从一个电极通过盖板和底座，再从另一个电极回到电源形成回路，由于电极与盖板及盖板与底座之间存在接触电阻，焊接电流将在这两个接触电阻处产生热量，结果使得盖板与管座之间局部形成熔融状态，凝固后形成一个焊点。由于是脉冲电流，每一个脉冲电流形成一个焊点，由于管壳做匀速直线运动，焊头在盖板上滚动，因此就在管座的边缘形成两条平行的、由重叠的焊点组成的连续的焊缝。
2、工艺参数
平行缝焊工艺，作用于产品上面的总能量由公式（1）决定：
………………………………………公式（1）
公式中：P为功率、PW为脉冲宽度、PRT为脉冲周期、S为焊接速度和L为焊接距离。
三、过程探究
平行缝焊是主要的封装方法之一，以其优异的气密性，广泛用于半导体封装， TO-257、TO-254、SMD系列的外壳均采用平行缝焊封装。但是，在封装时时常会出现在底座框的四个角上出现打火的现象，打火后，产品在检漏时漏率超标，从而使产品被淘汰。
因为管座边缘的两条平行焊缝，是由重叠的焊点组成。出现打火，一般情况下就是熔化时单个焊点或者连续几个焊点的温度过高，使熔化点的温度梯度过大，产生应力过大而产生打火。单个焊点的能量可以有公式（2）可知：
Q=I2Rt…………………………公式（2）
根据Q=I2Rt，产生打火的原因主要是I（对应P）电流过大，R接触电阻过大，t（对应L/S）时间过长，而我们设备的输出电流一般比较稳定，接触电阻和压力、表面材料等有一定关系，根据电阻的计算公式R=ρ×L/S，电极与底座接触是固定的，除了表面材料不同就会造成材料电阻率ρ的不同，我们现在使用的管壳一般表面镀金或镀镍，材料相对较固定，所以，接触电阻的影响可以忽略，那么时间可能就是引起打火的关键因素。
通过试验和分析，我们发现打火主要出现在零件的四个角上，通过分析，我们认为是电极在爬行或下降的时间路程过大，从而造成在边角停留的时间过长，从而引起打火，如图2所示：
电极从O1点运动到O2点，电极会围绕O3點做运动，电极在O3点停留的时间为△t=（R2-H2）1/2/V，V为电极相对于外壳的速度。这时，电流不断通过，如果停留时间过长就可能会温度过高，从而造成打火现象。如果要解决打火问题，就是要减小在边角停留的时间，从公式推到，可以减小电极的半径和增加H，电极的半径一般是固定的，所以我们主要是增加H，也就是要减小电极的爬升高度或下降高度。对于2400E平行缝焊机来说，就是减小焊头延迟距离TD，电极的爬行高度或下降高度可以通过平行缝焊机进行调节。
当然，造成停留时间增加引起的打火是我们发现的最重要的原因，而打火的原因还有很多，比如，我们放大了缝焊边缘的尺寸不匹配、边缘有毛刺、盖板不平整等等原因，知道原因的所在，我们就可以根据理论进行调整。主要有以下几个原因：
1、金属盖板与底座边框接触不良，造成接触电阻较大。
由于金属盖板变形、有坑洞、缺陷等，造成盖板与底座接触不良，从而使接触电阻增大，造成打火，因此前期会对盖板进行挑选。
2、金属盖板或边框未倒角或倒角不充分，使电极接触盖板或底座边框时接触面小，使接触电阻过大。
对于这种情况，我们一般在盖板上进行倒角，盖板倒角大小与管座倒角大小关系，另外盖板的尺寸与管座的尺寸关系如下表所示：
3、电极施加压力不够，造成接触不良，使接触电阻过大。
可以通过调节压力大小来达到目的。
4、电极不平整，有大坑洞或较大毛刺，这种情况一般较小，我们发现这种情况立刻更换电极。
平行缝焊打火，由于熔化击穿盖板，在检漏时，由于漏气量可能较大，不一定能够出来，我们需要经过粗检漏以排除这种漏气现象。
四、结束语
经过理论分析，已找准失效机理，并通过实践，现已基本解决SMD系列、TO系列封装产品的打火问题。
参考文献：
[1]Tummala R R微系统封装基础[M] 南京：东南大学出版社，2004。
[2]王林，黄先奎集成电路内部水汽含量的控制[J] 微电子学，2003。
关键词：平行缝焊 工作原理 工作过程 工艺优化
一、引言
半导体封装方法有很多，根据管壳的不同，半导体封装方法也不同，对于陶瓷管壳主要有：
1.环氧粘接法：环氧粘接法是利用高强度聚酯漆进行封装的一种方法。
2.低熔点合金封装：它是利用熔点为300℃～400℃左右的低熔点合金焊料，在保护性气氛和真空条件下，通过烧结，将电路盖板和底座熔接起来的一种封装方法，例如SOT-23C封装。
3.黑陶瓷低熔点玻璃封装：黑陶瓷低熔点玻璃封装主要用于双列直插式封装结构。
4.平行缝焊法：它的封装原理是通过两个圆锥形滚轮电极压住待封装的金属盖板和底座框，焊接电流从一端的电极流到另外一个，整个回路的高阻点在金属盖板与底座框的接触处，高阻点通过大量电流发热，形成一个焊点而使盖板与底座框被焊接上，例如SMD、TO-254、TO-257封装。
二、平行缝焊的原理
1、基本原理
平行缝焊的基本原理如图1所示。平行缝焊属于电阻熔焊，当两个圆锥形滚轮电极压在盖板的两条对边上，脉冲焊接电流从一个电极通过盖板和底座，再从另一个电极回到电源形成回路，由于电极与盖板及盖板与底座之间存在接触电阻，焊接电流将在这两个接触电阻处产生热量，结果使得盖板与管座之间局部形成熔融状态，凝固后形成一个焊点。由于是脉冲电流，每一个脉冲电流形成一个焊点，由于管壳做匀速直线运动，焊头在盖板上滚动，因此就在管座的边缘形成两条平行的、由重叠的焊点组成的连续的焊缝。
2、工艺参数
平行缝焊工艺，作用于产品上面的总能量由公式（1）决定：
………………………………………公式（1）
公式中：P为功率、PW为脉冲宽度、PRT为脉冲周期、S为焊接速度和L为焊接距离。
三、过程探究
平行缝焊是主要的封装方法之一，以其优异的气密性，广泛用于半导体封装， TO-257、TO-254、SMD系列的外壳均采用平行缝焊封装。但是，在封装时时常会出现在底座框的四个角上出现打火的现象，打火后，产品在检漏时漏率超标，从而使产品被淘汰。
因为管座边缘的两条平行焊缝，是由重叠的焊点组成。出现打火，一般情况下就是熔化时单个焊点或者连续几个焊点的温度过高，使熔化点的温度梯度过大，产生应力过大而产生打火。单个焊点的能量可以有公式（2）可知：
Q=I2Rt…………………………公式（2）
根据Q=I2Rt，产生打火的原因主要是I（对应P）电流过大，R接触电阻过大，t（对应L/S）时间过长，而我们设备的输出电流一般比较稳定，接触电阻和压力、表面材料等有一定关系，根据电阻的计算公式R=ρ×L/S，电极与底座接触是固定的，除了表面材料不同就会造成材料电阻率ρ的不同，我们现在使用的管壳一般表面镀金或镀镍，材料相对较固定，所以，接触电阻的影响可以忽略，那么时间可能就是引起打火的关键因素。
通过试验和分析，我们发现打火主要出现在零件的四个角上，通过分析，我们认为是电极在爬行或下降的时间路程过大，从而造成在边角停留的时间过长，从而引起打火，如图2所示：
电极从O1点运动到O2点，电极会围绕O3點做运动，电极在O3点停留的时间为△t=（R2-H2）1/2/V，V为电极相对于外壳的速度。这时，电流不断通过，如果停留时间过长就可能会温度过高，从而造成打火现象。如果要解决打火问题，就是要减小在边角停留的时间，从公式推到，可以减小电极的半径和增加H，电极的半径一般是固定的，所以我们主要是增加H，也就是要减小电极的爬升高度或下降高度。对于2400E平行缝焊机来说，就是减小焊头延迟距离TD，电极的爬行高度或下降高度可以通过平行缝焊机进行调节。
当然，造成停留时间增加引起的打火是我们发现的最重要的原因，而打火的原因还有很多，比如，我们放大了缝焊边缘的尺寸不匹配、边缘有毛刺、盖板不平整等等原因，知道原因的所在，我们就可以根据理论进行调整。主要有以下几个原因：
1、金属盖板与底座边框接触不良，造成接触电阻较大。
由于金属盖板变形、有坑洞、缺陷等，造成盖板与底座接触不良，从而使接触电阻增大，造成打火，因此前期会对盖板进行挑选。
2、金属盖板或边框未倒角或倒角不充分，使电极接触盖板或底座边框时接触面小，使接触电阻过大。
对于这种情况，我们一般在盖板上进行倒角，盖板倒角大小与管座倒角大小关系，另外盖板的尺寸与管座的尺寸关系如下表所示：
3、电极施加压力不够，造成接触不良，使接触电阻过大。
可以通过调节压力大小来达到目的。
4、电极不平整，有大坑洞或较大毛刺，这种情况一般较小，我们发现这种情况立刻更换电极。
平行缝焊打火，由于熔化击穿盖板，在检漏时，由于漏气量可能较大，不一定能够出来，我们需要经过粗检漏以排除这种漏气现象。
四、结束语
经过理论分析，已找准失效机理，并通过实践，现已基本解决SMD系列、TO系列封装产品的打火问题。
参考文献：
[1]Tummala R R微系统封装基础[M] 南京：东南大学出版社，2004。
[2]王林，黄先奎集成电路内部水汽含量的控制[J] 微电子学，2003。