全自動平行縫焊機(jī)產(chǎn)生次品的原因分析與改進(jìn)

李文浩，閆旭冬

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

在航空、航天領(lǐng)域電子設(shè)備中，由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，對相關(guān)電子器件及模塊的封裝質(zhì)量有嚴(yán)苛的要求。平行封焊工藝在封焊過程中升溫小、封焊的氣密性高，而且封焊封裝的方法有很高的可靠性，因此多用于航天、航空領(lǐng)域電子用芯片的封裝。傳統(tǒng)低效率手動對位封焊設(shè)備已不能滿足快速高效發(fā)展的工藝需求，因此自動對位、封蓋的平行封焊工藝成為一種必然趨勢。本文主要分析了在全自動平行封焊機(jī)封焊過程中，影響電子器件模塊封裝次品率的因素。

1 平行縫焊的工作原理

平行縫焊屬于電阻熔焊，在一定壓力下，用2個圓錐形滾輪電極壓在蓋板與焊框上，形成一個閉合回路，焊接的功率以電流的形式從焊接電源的一端經(jīng)其中一個電極分為2路電流，一路流過蓋板，另一路流過管殼，經(jīng)另一電極回到焊接電源的另一端，整個回路的高電阻在電極與蓋板及蓋板與焊框的接觸處，如圖1所示。根據(jù)能量公式(Q=I2Rt)，其中Q為產(chǎn)生的熱量，I為電流，R為接觸電阻，t為放電時間。焊接的脈沖電流將在兩個接觸電阻處產(chǎn)生大量的熱使接觸處呈熔融狀態(tài)，在滾輪電極輪的壓力下，凝固后即形成一連串的焊點(diǎn)[1]。

圖1 平行封焊原理圖

2 影響因素

2.1 自動對位精度

圖22 種工裝的3D示意圖

全自動平行縫焊機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行封焊的第一步就是自動對位，因此自動對位精度是直接造成全自動平行縫焊機(jī)次品率的因素之一。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管殼與工裝夾具的固定方式會直接影響對位精度與封焊效果。工裝A是帶彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，工裝B是普通工裝，其3D示意圖如圖2所示。分別點(diǎn)焊100只同一產(chǎn)品，以偏移量小于50 μm為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)是否合格。驗(yàn)證的結(jié)果如表1所示，工裝A點(diǎn)焊的合格率為100%，而工裝B的合格率為97%，因此工裝設(shè)計中應(yīng)盡可能地將管殼固定。

表1 不同工裝對位精度的合格率對比

其次視覺識別效果直接決定產(chǎn)品的對位精度，影響視覺識別的主要因素有2個：工裝表面處理顏色及光源顏色的選擇。產(chǎn)品一般分為2種，鍍金或鍍鎳，工裝表面處理顏色有黑色和灰白色，視覺光源色有紅、綠、藍(lán)可控，通過控制變量的方法進(jìn)行視覺識別試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。工裝發(fā)黑時，紅光和綠光對鍍金的產(chǎn)品具有不錯的識別效果，兩者的成像效果相差不大，藍(lán)光對于鍍金產(chǎn)品的成像效果最差；對于鍍鎳的產(chǎn)品，紅、綠、藍(lán)的識別效果對比，紅光的輪廓更為清晰。工裝發(fā)白時，同樣的光源對于發(fā)黑工裝的成像效果明顯變差，紅光和藍(lán)光的輪廓較為清晰。因此在對全自動平行縫焊機(jī)進(jìn)行工裝設(shè)計時，表面處理應(yīng)該為發(fā)黑處理，視覺光源的選擇優(yōu)先考慮紅光。

表2 產(chǎn)品視覺識別效果

2.2 焊接壓力的穩(wěn)定性

根據(jù)能量公式Q=I2Rt，電阻直接影響能量的大小，而整個封焊回路的高電阻在電極與蓋板及蓋板與焊框的接觸處，這兩處的接觸電阻是由封焊頭的壓力決定，因此應(yīng)該注意左右封焊電極的焊接壓力是否一致，這樣可以保證接觸電阻的一致性，從而保證產(chǎn)品封焊寬度的一致性。

現(xiàn)有的封焊頭壓力控制通常有2種，一種是通過控制彈簧的壓縮量來實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)整，另一種是通過增加砝碼塊來實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)整。通過2種不同的結(jié)構(gòu)對同一種產(chǎn)品進(jìn)行縫焊。分別縫焊30只產(chǎn)品，觀察封焊效果，發(fā)現(xiàn)自重結(jié)構(gòu)封焊的焊痕一致性很好，目檢全部合格；而彈簧結(jié)構(gòu)下封焊的個別產(chǎn)品出現(xiàn)焊痕左右不均勻、其中一邊出現(xiàn)斷焊的現(xiàn)象。自重、彈簧結(jié)構(gòu)封焊效果圖如表3所示。

圖3 封焊頭結(jié)構(gòu)

表3 封焊焊痕效果對比

通過分析發(fā)現(xiàn)由于全自動縫焊機(jī)工裝尺寸較大，且經(jīng)過長時間烘烤其平面度有所改變；另外，由于產(chǎn)品公差、工作平臺誤差、工裝的加工誤差等因素，使用彈簧結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品進(jìn)行封焊時，產(chǎn)品的左右縫焊頭壓力會有明顯差異，從而造成焊痕不均勻或者出現(xiàn)斷焊的現(xiàn)象。因此在全自動封焊頭進(jìn)行設(shè)計時優(yōu)先考慮自重結(jié)構(gòu)，保證焊接壓力的穩(wěn)定性[2]。

2.3 縫焊參數(shù)

縫焊參數(shù)是保證焊痕合格的關(guān)鍵。縫焊參數(shù)主要包括電源參數(shù)、縫焊電極位置參數(shù)?？p焊電源參數(shù)主要分為電流參數(shù)和時間參數(shù)，如圖4所示。圖中的I1～I(xiàn)4、t1～t2、n1～n4、th～tc分別代表電流參數(shù)、下壓和休止時間、脈沖個數(shù)及加熱和冷卻時間，具體為：

（1）電流參數(shù)：機(jī)器設(shè)計為4段加熱可選擇，保證機(jī)器有廣泛的焊接工藝適應(yīng)性。電流設(shè)定分為4個參數(shù)（I1～I(xiàn)4，見圖4），分別為：I1為起始電流；I2為穩(wěn)定電流；I3為緩降后的電流；I4為陡降后的電流。

圖4 焊接電源參數(shù)界面

（2）時間參數(shù)：根據(jù)焊接循環(huán)和加熱的要求，時間分為6段控制，即t1為電極下壓；t2為休止；n1、n2、n3、n4是電流對應(yīng)的脈沖個數(shù)，每個脈沖加熱和冷卻的時間分別由th和tc設(shè)定。

通過調(diào)整電源的電流參數(shù)與時間參數(shù)，控制焊接電源的能量輸出。能量過大，會造成蓋板擊穿；能量過小，則會造成蓋板沒有融或者露筋的現(xiàn)象發(fā)生，這兩種情況都會造成產(chǎn)品的漏氣。因此最優(yōu)電源參數(shù)的選擇可通過大量試驗(yàn)及現(xiàn)場驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行摸索。

縫焊電極位置參數(shù)主要包括起點(diǎn)超滾距離、終點(diǎn)超滾距離、起點(diǎn)不放電距離與終點(diǎn)不放電距離。如圖5所示，起點(diǎn)、終點(diǎn)超滾距離，是為了保證產(chǎn)品的4個角上封焊閉合從而保證氣密性，如圖6所示。起點(diǎn)、終點(diǎn)設(shè)置的不放電距離，是為了避免由于產(chǎn)品及工裝的公差導(dǎo)致電極輪壓的產(chǎn)品不牢固而造成打火現(xiàn)象。

圖5 封焊電極位置參數(shù)示意圖

3 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對全自動平行縫焊設(shè)備縫焊管殼造成次品的原因進(jìn)行分析，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過其影響因素改良，不僅降低了設(shè)備制造成本，而且大大提高了產(chǎn)品的成品率，對全自動平行縫焊機(jī)設(shè)計優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。