基于MATLAB 的集成电路储能焊封装能量分布研究

王旭光，杨镓溢，江 凯，邹 佳

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400000）

1 引言

微电子元器件气密性封装的目的是为了保证电路内部芯片、键合丝等与外界环境的隔绝，并为芯片提供良好的工作环境，使其可以稳定可靠、正常地完成电路的功能。随着电子产业的飞速发展，用户对混合集成电路的封装可靠性也提出了日益严苛的要求，所以对封装工艺过程的研究具有重要的意义。集成电路的气密性封装工艺，常见的主要有平行缝焊、储能焊和激光焊等。其中储能焊主要适用于中小型腔体的金属管壳气密性封装，具有速度快、效率高、发热低的优点，在高可靠性气密性封装中具有重要的作用[1-3]。

目前，国内对储能焊设备的工作原理以及工艺进行了一些研究。任爱华等人主要对设备的工作原理进行介绍，并利用电容电阻的电学原理对设备进行设计和优化[4]。赵鹤然等人对储能焊的电压电流进行了工艺研究，并引入了直流电阻模型来描述储能焊的工艺过程[5]。本文针对储能焊工艺从理论上进行了数学建模，并完成理论分析、仿真与实验验证。

2 储能焊机工作原理

本文以某储能焊机为研究对象进行说明。工作中，首先设置好相应管壳的工艺参数，包括焊接压力以及焊接电压。接下来，将电路置于夹具中，放于储能焊设备的上下电极中，启动开关即可完成一次焊接作业，图1 为储能焊电路装夹示意图。将电路管壳管帽组合后置于夹具中，再将夹具放于储能焊设备的上下电极中，即可完成一次封帽准备工作。

图1 电路装夹示意图

具体工作原理如图2 所示。首先通过开关S1的闭合，利用电源对电容器进行充电，将电能储存于电容器中，在工作瞬间，开关S1断开，S2闭合，形成另一组通路电路，通过电容、电感以及电阻，将电容中储存的能量输出，转化为热能，用于熔化管壳表面的镀层，从而实现气密性封装的任务。

图2 储能焊工作原理

根据图1 以及储能焊的工作原理介绍，为了进行储能焊过程原理分析，进行以下定义和假设：放置电路管壳的上下夹具电阻为R1；在某一压力P 下，管帽与底座接触电阻为R2；假设夹具上下工作面处于理想平面度内，管壳上下接触面也处于理想的平面度内，且管壳底座的密封筋在一个周长内各项参数一致性良好。每个放电周期内储存在电容内的能量保持不变，电容器的电容值为Cp，充电电源的电压为U电源，u电极表示充电过程中的瞬间电压。

储能焊设备在工作中，开关S1闭合，构成一个充电回路，由电源、电阻R充以及电容Cp组成。根据电路学基本理论，可以得出电容在充电结束后，其两端的电压为U电源。

定义Qc为电容器中储存的能量，i 为充电过程中的瞬间电流，可以得到：

电容器储存的能量：

从式中可以看出，储能焊设备在一次充电过程中，电容器存储能量的大小与Cp成正比，与成正比，所以在工艺参数选择中，面对不同型号的管壳，需要改变电容器的储存能量，就可以调节Cp或U电源来增加或者降低能量。同时也可以看出，为了增加电容器储存能量，提高充电电压比提高容量更为有效。

电容器完成充电后，根据不同设备放电形式可以划分为两种：一种是直接放电；另一种是间接放电，通过变压器来进行转换。直接放电式的储能焊设备优点是结构简单，能量利用率高，但是在生产中由于放电电压过高，经常会导致巨响和金属飞溅产生，同时高电压也易产生危险事故，所以目前随着集成电路封装高可靠性的发展要求，大多数储能焊设备均采用间接放电的形式。

当开关由S1闭合、S2断开切换为S1断开、S2闭合状态时，设备就进入放电状态。如图3 所示为电容器放电回路。

图3 电容器放电原理图

放电回路主要由电容、变压器以及电阻R1和R2构成，电容器储存的能量主要以电阻热的形式释放于电阻R1和R2上。其中R2上的电阻热用于将密封筋熔化而将管壳焊接在一起。假设变压器的效率为100%，不存在能量损耗，则可以将放电回路进行简化，忽略变压器的变压作用，得到图4。

图4 电容器放电简化原理图

根据电路原理，电容器在放电过程中的电压变化与整个电路的电阻与电容器的电容C 有关。电容器放电开始的电压U电极=U电源。放电过程中电容器的电压随时间而逐渐减小，且满足关系：

所以得到电阻R2上产生的电阻热为[6-7]：

通常设置的放电时间τ 远远小于电容器的放电周期T。

从储能焊工艺中用于密封焊接的理论能量公式中，可以看出能量主要与电压以及夹具电阻和管壳接触电阻有关。为了更直观地了解焊接能量与电压、电阻之间的关系，本文采用MATLAB 软件对其进行模拟，焊接能量与电压的关系如图5 所示。

图5 焊接能量与电压关系

从图5 可以看出，焊接能量随电压的升高而升高，电压增大，焊接能量变大。电压变小，则会导致焊接能量不足。焊接能量与电阻R2的关系图（图6）表明，当夹具的电阻R1一定的时候，密封筋焊接能量与电阻R2的关系呈现先上升后下降趋势，在电阻R2小于夹具电阻的一半时，随着电阻R2的增加，密封筋的焊接能量增加，而当大于夹具电阻的一半时候，随着R2的增加，焊接能量变小，焊接火光变暗。而R2的大小除了与材料本身有关外，还与电极的气压有关，随着压力的变化，电阻R2相应发生变化。一般情况下，随着气压的增加，电阻R2变小，气压变小则R2增大。图7 所示为焊接能量与电阻R1之间的关系，随着R1的增大，密封筋焊接能量随之减小，而且后续变化率越来越小。综上所述，利用MATLAB 软件对其进行仿真，得到了焊接能量与电阻以及电压之间的三维示意图（见图8）。

图6 焊接能量与电阻R2 关系

图7 焊接能量与电阻R1 的关系

图8 焊接能量与电压、气压三维关系

3 试验研究

为了对本文提出的焊接能量理论分布进行验证，进行了相关试验。选用同一厂家生产的同一批次管壳及其相应管帽，经过清洗后，在同一时间段内利用同一台储能焊设备和夹具采用不同工艺参数进行封帽。因为夹具不变，所以本方案仅考虑电压以及气压2 种参数，共设置4 种封帽参数。

表1 分组参数

随机取一只封帽样品，对焊接位置利用金相显微镜，按照GB/T 16594-2008 以及GB/T 17359-2012 对其进行SEM 和EDS 分析，具体结果见图9。

图9 切面形貌及SEM/EDS 结果

根据管壳资料显示，盖板与管壳基材为可伐，盖板表面镀镍，管壳表面镀金，由图中切面图看出，内部和缝隙处的银白色溢出物成分为Fe/Ni/Au，结合储能焊原理以及成分结果，该物质为盖板与管壳表面的镀层在焊接能量下熔融凝固而成，液态熔融镀层分布于封接环的四周，凝固后形成管壳与盖板的连接[8]。

同时对不同焊接参数下的电路外观进行研究分析，封帽局部放大图如图10 所示。从图10 中可以看出，管壳与盖板经过储能焊后，镀层熔化溢出，将盖板与管壳连接起来形成密封。但是不同的参数对于镀层熔融物的形成具有不同的影响。第一组采用标准参数，镀层熔融物分布均匀，饱满。第二组焊接气压增加，接触电阻降低，焊接能量降低，同时电压降低，也导致焊接能量偏低，综合考虑，其焊接总能量降低；但是由于压力增加，有利于盖板和管壳的有效接触，所以在封接环周长方向其接触电阻的分布均匀性更好，导致熔融物的溢出均匀性在竖直方向更好。第三组增加压力导致接触电阻变小，焊接能量降低，如图10（c）所示，熔融物溢出相对较少。第四组压力降低，导致接触电阻变小，同时由于电压增加，导致焊接能量增大，从图10（d）可以看出，熔融物溢出变多，但是由于压力降低，无法有效保证管壳与盖板的紧密接触，所以在封接环的周长方向接触电阻分布不均，最终影响到熔融物的溢出均匀性。从图中可以看出，镀层熔融物溢出较多，但其竖直方向的分布一致性较差。将焊接后的管壳进行切片抛磨，分析结果如图11 所示。

图10 封帽局部放大图

图11 管壳切片电镜局部图（左图150 倍，右图2000 倍）

对4 组镀层数据进行统计，得到表2。从表2 可以看出，压力降低或者电压增大，镀层在熔融前后的厚度变化越大，主要原因是焊接能量增大导致的镀层熔化较多，所以镀层厚度变化较大，镀层厚度随焊接能量的增大而增大。

表2 管壳镀层数据

4 结论

通过4 组实验，对比分析其封接环外部形貌以及内部切片数据，可以得到以下结论：（1）电压越大，焊接能量越大，镀层熔融物溢出越多，反之，镀层熔融物溢出越少；（2）压力越大，盖板与管壳的接触平整度越高，可以提高熔融物溢出后的宽度一致性，反之，压力越小则会导致整个接触面的接触压力偏小，存在接触不均匀的情况，使不同接触位置产生的焊接能量差异较大，镀层熔融后标准差较大，熔融溢出物的宽度一致性较低。

结合本文的理论分析可以得到一般储能焊工艺参数的确定规则：根据管壳的型号确定出管壳的大小、材质、镀层种类等，从而确定合适的焊接能量。由于实际中通常夹具固定不变，所以能量就主要由电压的二次方及气压决定。气压的选取主要与管帽的材质、尺寸等有关，要求设定的气压值能够保证管帽与管壳在封帽中紧密接触，而且能够对熔融的镀层均匀地挤压，使其均匀分布在封接环周围，形成连续的密封层。而放电电压更直接决定了施加于封接环上的能量，能量过小会导致镀层无法全部熔化，造成封接环局部镀层熔融物不连续，引起集成电路气密性失效；而如果电压过大，焊接能量偏大，会导致封接环处的镀层溢出物分布较多，表面粗糙度较高，且容易造成飞溅物产生，外观较差。飞溅物是集成电路PIND 失效的原因之一，所以电压的设定也不能过高。最终通过电压与气压的合理优化组合，确定出了最合适的工艺参数。