平行缝焊壳体温升影响研究

徐 炀，李茂松，倪乾峰

（中国电子科技集团公司第24研究所，重庆 400060）

1 引言

平行缝焊是一种使器件整体温升较小、温升持续时间短、可靠性高的封帽方式，普遍用于陶瓷外壳封装和金属外壳封装[1]。但是，伴随着器件体积越来越小，平行缝焊所产生的能量足以使器件温度短时间上升到一定的程度，使器件内部的粘接材料分解或者二次熔化，造成器件内部气氛失效、剪切强度失效或者PIND失效。这些失效方式不能通过肉眼观察等手段提前发现，只能通过后期考核实验发现，对器件本身来说是致命的，同时也造成产品批量失效，造成重大的经济损失。

所以，外壳封装时，需要充分考虑参数对器件整体温升的影响，避免因器件温升过高导致的批量产品失效的情况发生。

2 平行缝焊简介

平行缝焊是一种电阻焊，主要利用多个单焊点相互串联、重叠而形成密封。焊接示意图如图1所示，焊点示意图如图2所示。

平行缝焊可调节的参数较多，但其总能量主要由以下几个工艺参数决定：焊接功率（P）、脉冲宽度（PW）、脉冲重复时间（PRT）、焊接速度（S）以及焊接长度（L）[2]。为了研究平行缝焊对壳体温升的影响，需要对能量公式进行一个简单的了解，总能量和单位长度的能量可以表示为式（1）和式（2）：

上述能量公式所计算出的能量代表设备所释放出的总能量。

图1 焊接示意图

图2 焊点示意图

在缝焊过程中，盖板边缘与底座封接环之间产生一个接触电阻R，盖板与底座封接环接触处产生的热量可以由焦耳定律 得出[3]。由于盖板与底座封接环之间的接触电阻是一个变化值，受表面粗糙度（洁净度）、压力以及接触面积等的影响，进而对接触电阻R产生影响，从而影响施加在电路上的能量。

3 温升定量测量方法简介

本研究主要采用AD公司的AD590温度传感器芯片进行测试。AD590线性电流输出为1 μA/K，温度测试范围为-55 ～150 ℃，驱动电压为4 ～30 V。

3.1 测试样品制备

利用金锡焊料将AD590芯片（1.6 mm×1.6 mm×0.3 mm）以烧结的方式贴装在外壳内，并采用30 μm金丝对样品进行键合。在样品实际制备过程中，考虑到需要尽可能真实地反映外壳封帽时的温升情况，故AD590芯片采用烧结方式贴片，并且贴放在靠近外壳边缘的位置（此位置离缝焊边缘最近，能反映出外壳温升的真实情况）。

贴装方式如图3所示。

图3 贴装示意图

3.2 测试平台和原理

测试时，将电压源、六位半数字万用表和测试用样品通过导线进行串联，在样品封帽过程中时刻关注数值万用表的电流输出值。此数值即表示此刻芯片的温度值，同时也表征AD590芯片贴片处最大值，另外也能反映出壳体此刻的温度。

当显示数值达到最高点并稳定时，记录下该数值，即代表AD590芯片所达到的最高温度值，此数值即代表壳体的最高温度。例如静态测试时，仪表上显示值为298 μA，即芯片温度为298 K，此时的芯片温度即为环境温度，换算成摄氏温度为298-273=25 ℃。

4 温升影响研究

4.1 实际测量与结果

本次测量主要反映相同平封工艺参数对不同体积外壳的温升影响，以及相同能量输出的情况下，不同平封工艺参数组合对壳体温升的实际影响。

测试1：采用相同工艺参数对不同腔体体积外壳封帽，并连续进行两次封帽，测试外壳温升情况。

本实验采用3种体积不同的外壳，外壳型号分别为MQ1616、UP2520以及MQ3728，外壳体积及封帽所使用的参数如表1所示。

根据式（2）可以计算出，采用上述参数封帽参数的单位长度能量为（2 200×7）/（50×7）=44（J/mm）。

利用AD590温度传感器上述方案进行测试，外壳温升结果如表2所示。

表1 外壳体积及封帽参数

从表2可以看出，采用相同的工艺参数对不同体积外壳进行封帽，其外壳温升不同，随着外壳体积的增加，外壳温升越小。从实际测量情况来看，当封帽完成的瞬间，外壳温升并没有达到最高值，通常在封帽完成后的5 s内温度达到最大值。

表2 外壳温升结果

测试2：采用不同工艺参数（设备释放总能量相同）对相同外壳进行封帽，并测试外壳温升情况。

本次试验采用MQ2520金属外壳进行试验，采用表3参数进行试验。

表3 封帽参数及单位长度能量

通过AD590温度传感器对其进行测量，第一组温度为50～60 ℃，第二组温度为 70～80 ℃，第三组温度为 80～90 ℃。

通过上述参数以及温度进行对比可以发现，即使设备释放出相同能量，但由于速度和重复时间组合不同，导致外壳的整体温升不同。通常情况下，速度越快，重复时间越短，外壳温升越高。

4.2 水汽结果测试法

本试验采用体积较小的DH08外壳进行试验，并采用绝缘漆对电路进行粘接。两组样品按照绝缘漆要求的常规工艺同时贴片、固化以及封前烘培，以保证两种样品封帽前状态一致。样品封帽时采用两种不同参数对样品进行封帽：其中一组参数为常规封帽参数，另外一组为非常规工艺参数，但两组封帽参数按照能量公式所计算出的总能量相同。封帽后对样品进行密封检测，然后对两组样品同时进行水汽测试，观察样品内部气氛的情况。封帽参数如表4所示。

表4 封帽参数

按照上述两组参数各投入3只（第1组编号为1-1～1-3，第2组编号为2-1～2-3）样品进行封帽和气密性检测。样品全部满足气密性要求，通过显微镜进行观察，发现采用参数2的样品熔化效果明显好于采用参数1的样品熔化效果。水汽检测结果如表5所示。

表5 水汽检测结果

从表5可以看出，采用参数1和参数2同时加工的样品，其内部气氛有很大的区别。采用参数1的3只样品内部水汽、二氧化碳以及氢气含量明显偏高，是第二组样品的10倍。考虑到两组样品封前状态一致，并同时在同一台设备上进行封帽，因此造成这些差别的主要原因是外壳体积不同，封帽所产生的热量累积不同，使外壳温升不同。参数1所封帽的外壳温升较大，导致产品内部的绝缘胶粘接材料再次释放大量的水汽，造成水汽检测结果大于5 000×10-6。

另外，虽然两组参数通过式（2）所计算出单位长度能量相同，但外壳封接环熔化效果以及外壳整体温升不同，故式（1）和（2）所计算出的能量只能作为一个参考，还必须综合考虑加工速度以及外壳整体温升情况。

4.3 烧结材料封帽前后形貌测试法

本实验采用体积较小的F08-05外壳进行实验，其内腔体积约为0.01 cm3，两组样品按铅锡银焊料要求的常规工艺同时贴片和封前烘培，以保证两种样品封帽前状态一致，但样品封帽时采用两种不同参数进行封帽：其中一组参数为常规封帽参数，另外一组为非常规工艺参数，按照能量公式对两组参数总能量进行计算，常规参数总能量略大于非常规工艺参数总能量，封帽后对样品开盖检测其内部的烧结材料是否有二次熔化的情况。封帽参数如表6所示。

表6 封帽参数

按照上述两组参数各投入2只（第1组编号为1-1～1-2，第2组编号为2-1～2-2）样品进行封帽和气密性检测。样品全部满足气密性要求，通过显微镜进行观察，发现采用参数2的样品熔化效果也明显好于采用参数1的样品熔化效果。封帽前样品烧结情况铺展情况如图4所示，封帽后两组样品焊料二次熔化情况如图5所示。

图4 封帽前焊料形貌

从图5可以看出，采用第1组参数封帽的样品，其内部烧结材料已经发生二次熔化，并且侵蚀了键合接地线，造成键合拉力失效；采用第2组参数封帽的样品，其内部烧结材料并无明显铺展现象，对键合接地线无影响，而铅锡银的熔化温度为290 ℃，说明参数1所产生的温度效应对器件的温升较大。

根据两组参数理论结算值来看，第1组参数的单位长度理论能量略微小于第2组参数的理论值。从理论上来说，参数2施加在外壳上的总能量要大参数1，但由于重复时间较长，以及封帽速度较慢，使得外壳实际散热时间更长，累积在外壳上的热量有充分的时间散热，故外壳整体温升较小。所以设置封帽参数时，要充分考虑参数的组合，不能盲目机械地照搬理论值。

5 结论

综上所述，随着外壳体积的不断减小，对产品进行封帽时，需要考虑平封参数对外壳温升的影响，从而降低外壳温升对产品质量的影响。由于平封参数组合较多，在确定产品封帽参数时，不能机械地按照能量公式，需要考虑单个参数变化对壳体温升的影响，在保证产品气密性的同时又不会造成其他方面的失效。这就需要工艺人员对平封各参数深刻的理解，并进行大量的实验，得出一个合理的参数组合，一个合理的封帽工艺参数是保证产品质量的前提。

图5 封帽后两组样品焊料二次熔化形貌

[1] 郭建波，等. 影响平行缝焊效果的各工艺参数分析[J].电子与封装，2010, 6（6）.

[2] 李茂松，等. 平行缝焊工艺抗盐雾腐蚀技术研究[J]. 微电子学，2011, 3（6）.

[3] 肖清惠，等. 电极对平行缝焊的影响[J]. 电子与封装，2012, 9（9）.