玻璃鈍化U型封裝產品的工藝研發

◎石文坤

玻璃鈍化U型封裝產品的工藝研發

◎石文坤

本篇論文以2CZ5806U型封裝產品為例，著力論述一種新型的U型玻璃鈍化實體封裝二極管的工藝實現路徑，通過對多種方案的對比驗證，最終確立適合本公司的U型產品量產工藝流程，實現玻璃鈍化二極管由插件式向表貼式的工藝創新，為玻璃鈍化二極管譜系再添一類新結構，豐富用戶的選型及應用。

近年來，隨著國家軍用裝備的小型化、集成化要求，各設計院所在新型號的設計上，均逐步推廣使用多層PCB工藝進行電路的設計開發，我公司的主力玻鈍系列二極管產品，由于設計上采用軸向引線設計思路，導致在應用過程中不可避免的使用PCB穿孔焊接，很難匹配目前用戶設計需求。因此，開發一款基于玻鈍軸向二極管工藝基礎上的表貼產品，就成為了我們需要解決的當務之急。玻璃鈍化U型封裝表貼二極管的開發，很好的彌補了我公司玻鈍系列二極管沒有表貼產品選型的空白，具有很好的市場前景及應用價值。

同時在開發時我們還需注意以下兩點要求： （1）工藝質量延續性。我公司生產的玻鈍系列二極管產品，由研發至今已經歷30多年歷史，在各大軍用項目中被廣泛的使用，產品結構具有較強的質量可靠性，受到軍方的一致好評。因此在開發U型封裝產品時，需注重對軸向二極管的工藝延續性，以保證U型產品的設計可靠性。 （2）工藝路線可量產性。在設計產品的工藝路線時，需考慮產品的工藝量產可能性，保證在由研發轉入量產階段時，該方案具有較好的量產適用性，能在最經濟、最短的時間內實現產品系列的全面推廣及應用。

2CZ5806U型產品結構設計

軸向結構2CZ5806產品的設計結構圖。

圖1　2CZ5806產品結構圖

軸向型2CZ5806產品兩端設計為引線安裝方式，為我公司成熟玻鈍整流二極管結構，設計上采用玻璃體包封，兩端鉬引線對向燒焊，具有較強的抗機械應力及密封性。但不具備表貼安裝能力。

U型封裝2CZ5806U產品的設計結構圖。根據2CZ5806U型封裝產品的實際使用需要，我公司設計了安裝銅電極片的U型封裝結構。

圖2　2CZ5806U產品結構圖

該結構具有以下幾方面的優點：

具備表貼安裝能力。兩側銅電極片的安裝，使產品具備了在PCB板上進行表貼安裝的能力，適應目前波峰回流焊工藝流水線生產需求。

質量可靠性。在原2CZ5806封裝的基礎上，進行工藝設計，延續了原產品的質量可靠性。

經濟性。在投入資金最小的情況下，完成U型封裝要求，即利用了原有的工藝流水線，同時滿足了U型產品的開發需求。

在流程設計上，采用在軸向產品基礎上，安裝銅電極片的工藝路線，實現U型封裝結構的工藝流程，其中，難點工序為采用何種工藝完成銅電極片的安裝，在進行方案設計時，我們設計了以下幾種方案：

通過應用U型片與引線間電阻值差的方法，采用電阻焊工藝實現U型片焊接的工藝研發方案；實現U型片焊接的工藝研發方案；通過激光環焊方式，實現U型片焊接的工藝研發方案。

U型產品研發方案的實施

針對采用電阻焊工藝實現U型封裝的工藝研發方案。根據2CZ5806型產品外形，結合我公司U型封裝片尺寸工藝，研發過程中設計了以下工裝夾具，進行產品U型封裝試驗，具體如下圖：

引線和U型電極片用可伐或鐵鎳材料，采用電阻焊的方式進行連接。

（1）方案一：設計電極A、電極B，由人為施加向外拉力，利用可伐引線與銅電極片之間的電阻差，在瞬間大電流的作用下，使引線與U型銅連接片的接觸面之間形成熔融層，完成焊接。

（2）方案二：設計電極A、電極B，由人為施加向外拉力，利用可伐引線與銅電極片之間的電阻差，在瞬間大電流的作用下，使引線與U型銅連接片的接觸面之間形成熔融層，此次調整電極片內孔孔型，由柱形調整為梯形結構，以加大接觸面電流密度，最終快速形成焊接面。

（3）方案三：設計電極A、電極B，減小產品可伐引線墩頭厚度，增加單位電流密度，由人為施加向外拉力，利用可伐引線與銅電極片之間的電阻差，在瞬間大電流的作用下，使引線與U型銅連接片的接觸面之間形成熔融層，最終快速形成焊接面。

（4）方案四：重新設計焊接夾具，將產品引線做預處理，留下一部分引線端頭用于焊接，將向外的拉力改為向內的壓力，通過電極端A、B施加瞬間大電流，以形成焊接面。

在實際試驗過程中出現以下問題：方案一、二、三最終均由于電極片散熱，流經引線與電極間的電流集中發熱于引線部分，導致焊接面未形成有效熔融，最終將引線熔斷。方案四，調整產品焊接電流至焊接面形成焊接層，在電流的作用下熱瞬間導入產品內部，由于U型封裝產品整體尺寸要求，玻璃體距離U型焊片距離僅為1mm左右，導致產品外層玻璃體崩裂、芯片燒毀。

由于上面幾種方案在實施過程中均出現不同情況的問題，于是研發過程中排除使用電阻焊方法實現U型玻封產品的方案。

針對添加焊料層的方式，實現U型片焊接的工藝研發方案。根據2CZ5806型產品外形，結合U型封裝片尺寸工藝，研發過程中設計了以下焊接用工裝夾具，進行產品U型封裝試驗，具體見圖。

根據該圖紙設計，研發過程中分別用焊膏、焊錫絲、焊片進行填充試驗，試驗結果為：使用PbSnAg焊膏進行焊接，焊接后由于焊膏揮發作用，導致玻璃體整體發黑，且難以有效去除；使用PbSnAg焊錫絲進行焊接，由于焊錫絲難以安裝，導致在焊接后，焊錫不能很好的導入焊接孔內，引起產品局部虛焊；使用預加工PbSnAg焊片進行焊接，由于焊片預先安裝于產品與焊片之間，在焊接后，由于焊料與Cu之間的浸潤力作用，焊料較好的浸潤入焊孔，焊接效果良好；添加焊料層的工藝方式，有較好的工藝適應性，適合工業化生產使用。

綜合以上情況下，決定保留添加焊料層的工藝研發路線，以最終對比確定此次U型產品封裝路線。

后期，為了進一步提高產品焊接面的可靠性，選用了中溫AuGe焊料做為U型封裝焊接材料，進行產品U型工藝封裝。

采用激光環焊方式，實現U型片焊接的工藝研發方案。根據2CZ5806型產品外形，結合U型封裝片尺寸工藝，研發過程中設計直接使用工業用激光焊接設備，對產品U型電極片進行焊接，結果如下：焊接過程中由于激光環焊熱量過于集中且焊接時間較長，導致產品芯片由于高溫作用燒毀，玻璃體融化變形；銅引線與U型片焊接面出現凹坑，U型片變形，嚴重影響焊接質量。

由于以上原因，在分析論證后，排除了使用激光環焊實現U型片的封裝方案。

經過對以上三個實施方案進行評估，評估結論為：采用添加焊料層的方式，實現U型片焊接的工藝研發方案。該方案具有以下優點：

該方案在低于660℃的環境溫度中對U型片進行封裝，不會影響產品玻璃體及芯片整體性能，保證了產品電特性參數及鈍化玻璃質量；方案同時具有較好的工藝適應性，不需對半成品進行較為復雜的預處理，具備工業化批量生產的能力。

軸向玻璃鈍化封裝二極管，由于其具有30年以上的軍方使用歷史，在此基礎上，研發U型封裝，可部分延續軸向實體封裝的工藝路線，產品具有較高的參數可靠性。

U型產品可靠性性能試驗情況。提供2CZ5806U型產品，送廣州5所進行質量可靠性驗證試驗，試驗一次通過；提供5只結構分析樣管，送航天五院結構分析中心，進行產品結構分析試驗，分析結論為宇航級適用。

補充應力試驗

試驗方案。抽樣數量：22只試驗溫度：150℃±3℃拉力：相當于6磅重量的拉力時間：30min

試驗方法：對產品電極片施加相當于6磅重量的拉力，然后放入150℃的烘箱中停留30min。試驗前后對產品基本電參數進行測試。

試驗合格標準。試驗后產品電極片外觀完好無損；試驗后產品電參數合格。

試驗情況。試驗前后產品電參數測試情況見表1：

試驗后對產品進行外觀檢查，產品電極片完好無損，未出現任何損壞或脫落的現象。

試驗結論：從試驗情況來看，該產品完全能夠經受高溫150℃±3℃下的熱應力試驗，結構可靠。

產品研發結論

玻璃鈍化U型封裝表貼二極管的開發成功，彌補了玻鈍系列二極管無表貼產品選型的空白，延續了玻璃鈍化二極管產品的生命周期，同時該產品具備較強的機械強度及密封性，可原位替代軸向玻鈍二極管、玻殼系列二極管產品，市場前景廣泛。

（作者單位：中國振華集團永光電子有限公司）