關于平行縫焊打火的探討

姚偉

摘 要：本文闡述了平行縫焊的工作原理及優缺點，介紹了平焊的工作過程和條件，同時指出了工藝優化方向。

關鍵詞：平行縫焊 工作原理 工作過程 工藝優化

一、引言

半導體封裝方法有很多，根據管殼的不同，半導體封裝方法也不同，對于陶瓷管殼主要有：

1.環氧粘接法：環氧粘接法是利用高強度聚酯漆進行封裝的一種方法。

2.低熔點合金封裝：它是利用熔點為300℃～400℃左右的低熔點合金焊料，在保護性氣氛和真空條件下，通過燒結，將電路蓋板和底座熔接起來的一種封裝方法，例如SOT-23C封裝。

3.黑陶瓷低熔點玻璃封裝：黑陶瓷低熔點玻璃封裝主要用于雙列直插式封裝結構。

4.平行縫焊法：它的封裝原理是通過兩個圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和底座框，焊接電流從一端的電極流到另外一個，整個回路的高阻點在金屬蓋板與底座框的接觸處，高阻點通過大量電流發熱，形成一個焊點而使蓋板與底座框被焊接上，例如SMD、TO-254、TO-257封裝。

二、平行縫焊的原理

1、基本原理

平行縫焊的基本原理如圖1所示。平行縫焊屬于電阻熔焊，當兩個圓錐形滾輪電極壓在蓋板的兩條對邊上，脈沖焊接電流從一個電極通過蓋板和底座，再從另一個電極回到電源形成回路，由于電極與蓋板及蓋板與底座之間存在接觸電阻，焊接電流將在這兩個接觸電阻處產生熱量，結果使得蓋板與管座之間局部形成熔融狀態，凝固后形成一個焊點。由于是脈沖電流，每一個脈沖電流形成一個焊點，由于管殼做勻速直線運動，焊頭在蓋板上滾動，因此就在管座的邊緣形成兩條平行的、由重疊的焊點組成的連續的焊縫。

2、工藝參數

平行縫焊工藝，作用于產品上面的總能量由公式（1）決定：

………………………………………公式（1）

公式中：P為功率、PW為脈沖寬度、PRT為脈沖周期、S為焊接速度和L為焊接距離。

三、過程探究

平行縫焊是主要的封裝方法之一，以其優異的氣密性，廣泛用于半導體封裝， TO-257、TO-254、SMD系列的外殼均采用平行縫焊封裝。但是，在封裝時時常會出現在底座框的四個角上出現打火的現象，打火后，產品在檢漏時漏率超標，從而使產品被淘汰。

因為管座邊緣的兩條平行焊縫，是由重疊的焊點組成。出現打火，一般情況下就是熔化時單個焊點或者連續幾個焊點的溫度過高，使熔化點的溫度梯度過大，產生應力過大而產生打火。單個焊點的能量可以有公式（2）可知：

Q=I2Rt…………………………公式（2）

根據Q=I2Rt，產生打火的原因主要是I（對應P）電流過大，R接觸電阻過大，t（對應L/S）時間過長，而我們設備的輸出電流一般比較穩定，接觸電阻和壓力、表面材料等有一定關系，根據電阻的計算公式R=ρ×L/S，電極與底座接觸是固定的，除了表面材料不同就會造成材料電阻率ρ的不同，我們現在使用的管殼一般表面鍍金或鍍鎳，材料相對較固定，所以，接觸電阻的影響可以忽略，那么時間可能就是引起打火的關鍵因素。

通過試驗和分析，我們發現打火主要出現在零件的四個角上，通過分析，我們認為是電極在爬行或下降的時間路程過大，從而造成在邊角停留的時間過長，從而引起打火，如圖2所示：

電極從O1點運動到O2點，電極會圍繞O3點做運動，電極在O3點停留的時間為△t=（R2-H2）1/2/V，V為電極相對于外殼的速度。這時，電流不斷通過，如果停留時間過長就可能會溫度過高，從而造成打火現象。如果要解決打火問題，就是要減小在邊角停留的時間，從公式推到，可以減小電極的半徑和增加H，電極的半徑一般是固定的，所以我們主要是增加H，也就是要減小電極的爬升高度或下降高度。對于2400E平行縫焊機來說，就是減小焊頭延遲距離TD，電極的爬行高度或下降高度可以通過平行縫焊機進行調節。

當然，造成停留時間增加引起的打火是我們發現的最重要的原因，而打火的原因還有很多，比如，我們放大了縫焊邊緣的尺寸不匹配、邊緣有毛刺、蓋板不平整等等原因，知道原因的所在，我們就可以根據理論進行調整。主要有以下幾個原因：

1、金屬蓋板與底座邊框接觸不良，造成接觸電阻較大。

由于金屬蓋板變形、有坑洞、缺陷等，造成蓋板與底座接觸不良，從而使接觸電阻增大，造成打火，因此前期會對蓋板進行挑選。

2、金屬蓋板或邊框未倒角或倒角不充分，使電極接觸蓋板或底座邊框時接觸面小，使接觸電阻過大。

對于這種情況，我們一般在蓋板上進行倒角，蓋板倒角大小與管座倒角大小關系，另外蓋板的尺寸與管座的尺寸關系如下表所示：

3、電極施加壓力不夠，造成接觸不良，使接觸電阻過大。

可以通過調節壓力大小來達到目的。

4、電極不平整，有大坑洞或較大毛刺，這種情況一般較小，我們發現這種情況立刻更換電極。

平行縫焊打火，由于熔化擊穿蓋板，在檢漏時，由于漏氣量可能較大，不一定能夠出來，我們需要經過粗檢漏以排除這種漏氣現象。

四、結束語

經過理論分析，已找準失效機理，并通過實踐，現已基本解決SMD系列、TO系列封裝產品的打火問題。

參考文獻：

[1]Tummala R R微系統封裝基礎[M] 南京：東南大學出版社，2004。

[2]王林，黃先奎集成電路內部水汽含量的控制[J] 微電子學，2003。