薛靜靜，李壽勝，侯育增

（中國兵器工業(yè)第二一四研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

厚膜混合集成電路使用已經(jīng)超過50年，在20世紀(jì)60年代初期，厚膜混合集成電路廣泛用于武器系統(tǒng)中，如民兵洲際彈道導(dǎo)彈等。其被廣泛采用的主要原因是它與標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板相比，增加了可靠性并縮小了體積。厚膜混合集成電路廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛行器、直升機(jī)、手持武器、艦載設(shè)備和潛艇導(dǎo)航設(shè)備，得益于混合電路縮小了體積的一個軍用系統(tǒng)是休斯飛機(jī)公司為F-14飛機(jī)和F/A-18飛機(jī)制造的機(jī)載數(shù)據(jù)處理器。一些混合集成電路，如由國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的HS9151電源變換器被設(shè)計得能耗散大量的功率[1]。

厚膜混合集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，市場前景廣闊，國內(nèi)外供應(yīng)商也紛紛涌現(xiàn)。與此同時，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求迫使市場指向厚膜混合集成電路的研制與工藝技術(shù)的提升層面上。為厚膜混合集成電路選擇部件，首先要選擇的是封裝，因為混合電路是脆弱的并且對大氣污染敏感，必須用某種形式的封裝來保護(hù)它們。正確地選擇滿足顧客需要的封裝，對厚膜混合電路制造者來說十分重要。

隨著當(dāng)今微電子產(chǎn)品朝著高性能、超小型化、多功能的方向發(fā)展，器件功率增大，封裝體的散熱特性已成為選擇合適封裝技術(shù)的一個重要因素。以金屬為外殼的封裝是一種高精度封裝技術(shù)，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能及熱性能，而且氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響[2]。

2 平行縫焊封裝工藝研究主要內(nèi)容

金屬封裝雖然使用時散熱好、氣密性好，優(yōu)點很多，但是在金屬封裝過程中也會出現(xiàn)一些問題，平行縫焊封裝是金屬封裝的一種重要形式，以下重點介紹厚膜混合集成電路平行縫焊封裝工藝，探究其封裝過程中容易出現(xiàn)的問題，分析并給出處理方案，以保證生產(chǎn)中產(chǎn)品的封裝質(zhì)量。

2.1 平行縫焊封裝工藝簡介

金屬管殼封裝是厚膜混合電路最常用的封裝方式之一，如圖1。

圖1 鍍金管殼（左）與鍍鎳管殼（右）

厚膜混合集成電路的金屬封裝工藝主要采用的是平行縫焊技術(shù)，它是借助于平行縫焊系統(tǒng)，由通過計算機(jī)程序控制的高頻電流脈沖所產(chǎn)生的局部熱能使外殼底座與蓋板熔合，以形成氣密性封裝的一種工藝手段。

2.2 平行縫焊封裝工藝在生產(chǎn)中易出現(xiàn)的問題

金屬管殼平行縫焊過程中各種參數(shù)要根據(jù)電路金屬管殼的各種材質(zhì)和特性進(jìn)行調(diào)整，否則可能會出現(xiàn)因金屬管殼玻璃絕緣子出現(xiàn)不合格裂紋而造成外觀目檢判定不合格，影響產(chǎn)品合格率。

近期在我們的生產(chǎn)過程中，檢驗出某些批次中部分電路玻璃絕緣子出現(xiàn)不合格裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量有所下降。為了解決這個問題，有必要進(jìn)行相關(guān)分析。

2.3 分析問題原因

金屬管殼玻璃絕緣子出現(xiàn)不合格裂紋的原因很多，歸納概況如圖2。就圖中提出的影響金屬管殼玻璃絕緣子產(chǎn)生裂紋的4個因素，經(jīng)過調(diào)查并認(rèn)真討論分析，結(jié)合實際情況得到如下結(jié)論：

（1）人員有多年的工作經(jīng)驗，業(yè)務(wù)精通，能夠準(zhǔn)確按照文件以及操作規(guī)程進(jìn)行正常生產(chǎn)；

（2）現(xiàn)有平行縫焊機(jī)（SM8500型平行縫焊系統(tǒng)）以及氦質(zhì)譜檢漏儀定期按時質(zhì)檢，不影響正常使用，調(diào)整設(shè)備參數(shù)后，同一批金屬管殼玻璃絕緣子出現(xiàn)裂紋的程度不同；

（3）到金屬管殼生產(chǎn)廠家調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)其玻璃絕緣子材料有兩種，經(jīng)生產(chǎn)使用，進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)其中質(zhì)密深綠的玻璃絕緣子出現(xiàn)裂紋較少，與廠家協(xié)商后全部換用此類玻璃絕緣子；

（4）操作人員經(jīng)過廠家設(shè)備培訓(xùn)，能夠正常操作，設(shè)備為2012年購買，投入生產(chǎn)使用時間不長，不會造成設(shè)備能力缺陷。

圖2 平行縫焊工序?qū)饘偻鈿げＡЫ^緣子裂紋影響故障樹分析圖

經(jīng)上述分析，設(shè)備參數(shù)的調(diào)整是導(dǎo)致金屬管殼玻璃絕緣子出現(xiàn)不合格裂紋的要因。

2.4 調(diào)整設(shè)備參數(shù)

平行縫焊過程中，各種參數(shù)的設(shè)置影響電路受力，如果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使電路受力在其承受范圍內(nèi)，而不至于玻璃絕緣子產(chǎn)生裂紋影響電路氣密性，那將對解決上述問題有很大幫助。為此，我們優(yōu)化平行縫焊工藝參數(shù)，減小管殼在平行縫焊過程中的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，減少玻璃絕緣子裂紋的產(chǎn)生，從而保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

SM8500平行縫焊的工藝參數(shù)主要有功率P、脈沖PW、周期PRT、速度S、壓力F和脈沖間隔PS[3]。

對于給定管殼的焊接長度一定，則：

一旦PW和PRT被設(shè)置，它們一般保持不變，否則一個很小的變化就會導(dǎo)致傳送到管殼上的焊接能量發(fā)生巨變。功率P、周期PRT、速度S、壓力F和脈沖間隔PS的設(shè)定可以通過調(diào)整平行縫焊參數(shù)中焊接壓力、縫焊電流、滾焊速度、焊點間距來實現(xiàn)。

圖3 焊接脈沖

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，有玻璃絕緣子裂紋問題的金屬管殼其底座和蓋板均為柯伐材料；表面電鍍鎳或電鍍鎳+金，鍍層厚度范圍要求統(tǒng)一；蓋板為邊緣厚度相同的臺階式；平行縫焊機(jī)滾焊輪錐度固定。所以，可以認(rèn)為這些影響平行縫焊機(jī)參數(shù)設(shè)定的外在因素波動較小。最后經(jīng)研究，我們給出以下的試驗方案：

第一階段，固定平行縫焊機(jī)其他參數(shù)，調(diào)整焊接壓力分別為8 N、10 N、11 N、12 N、14 N、16 N、18 N進(jìn)行分組試驗；

第二階段，固定平行縫焊機(jī)其他參數(shù)，調(diào)整電流幅值分別為0.36 kA、0.38 kA、0.4 kA、0.42 kA、0.44 kA、0.46 kA進(jìn)行分組試驗；

第三階段，固定平行縫焊機(jī)其他參數(shù)，調(diào)整滾焊速度分別為0.4 ips、0.5 ips、0.6 ips、0.7 ips進(jìn)行分組試驗；

第四階段，固定平行縫焊機(jī)其他參數(shù)，調(diào)整焊點間距分別為152.4 μm、178 μm、203 μm、228.6 μm、254 μm進(jìn)行分組試驗。

3 工藝試驗研究

這里我們僅對第一階段試驗結(jié)果進(jìn)行舉例分析，固定平行縫焊機(jī)其他參數(shù)，對焊接壓力進(jìn)行調(diào)整，做了3批管殼試驗，并在生產(chǎn)過程中跟蹤了11批電路進(jìn)行玻璃絕緣子目檢，記錄數(shù)據(jù)和試驗分析如下。

3.1 管殼分組試驗

管殼分組試驗，型號up3521，尺寸35 mm×21 mm，有24個引線，共25只，編號1～25，按序號依次分為6組；各組設(shè)定的焊接壓力、檢漏情況、平行縫焊、加壓檢漏后玻璃絕緣子裂紋個數(shù)記錄見表1。

表1 玻璃絕緣子裂紋個數(shù)

通過表1，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比可以看出，第五組與第六組加壓檢漏前后的玻璃絕緣子裂紋比其他組明顯減少，此次試驗說明焊接壓力14 N與16 N較優(yōu)；再觀察電路焊道，發(fā)現(xiàn)焊接壓力16 N的電路比焊接壓力14 N的焊道較寬。

管殼分組試驗，型號up5428，尺寸54 mm×28 mm，管殼有40個引線，共20只，編號1～20，按序號依次分為4組；各組設(shè)定的焊接壓力、檢漏情況、平行縫焊、加壓檢漏后玻璃絕緣子裂紋個數(shù)記錄見表2。

通過表2，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比可以看出，第一組與第二組加壓檢漏前后沒有出現(xiàn)玻璃絕緣子裂紋，再次說明焊接壓力14 N與16 N較優(yōu)；再觀察電路焊道，發(fā)現(xiàn)焊接壓力16 N的電路仍比焊接壓力14 N的焊道較寬。

表2 玻璃絕緣子裂紋個數(shù)

3.2 管殼試驗

型號up3521，共8只，編號1～8；其中前4只與后4只來自不同廠家。焊接壓力14 N，漏率2.6×10-10Pa·m3/s，平行縫焊后玻璃絕緣子均沒有裂紋出現(xiàn)，加壓檢漏后5號出現(xiàn)1個合格玻璃絕緣子裂紋。

焊接壓力14 N，其他參數(shù)不變，跟蹤批次電路，目檢玻璃絕緣子裂紋情況記錄數(shù)據(jù)如下：

（1）型號up2013，共135只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（2）型號up2013，共166只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（3）型號up3521，共142只，平行縫焊后2只出現(xiàn)玻璃絕緣子裂紋，加壓檢漏后大部分出現(xiàn)合格玻璃絕緣子裂紋，但氣密性良好；（4）型號up2013，共12只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（5）型號up2013，共12只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（6）型號up2013，共12只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（7）型號up3521，共12只，平行縫焊后無玻璃絕緣子裂紋，加壓檢漏后均每只約有2個玻璃絕緣子有裂紋；（8）型號up2013，共139只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（9）型號up3521，共141只，平行縫焊后無玻璃絕緣子裂紋，加壓檢漏后15只電路出現(xiàn)玻璃絕緣子裂紋；（10）型號up2013，共151只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋；（11）型號up2520，共184只，平行縫焊后和加壓檢漏后均無玻璃絕緣子裂紋。

跟蹤數(shù)據(jù)分析：（3）、（7）、（9）批經(jīng)機(jī)械加工銑底部的管殼均出現(xiàn)了玻璃絕緣子裂紋，而且（3）、（7）批比（9）批此種情況更為嚴(yán)重，聯(lián)系管殼生產(chǎn)廠家后得知，（3）、（7）批管殼與（9）批管殼用的玻璃絕緣子不同。

根據(jù)上述試驗結(jié)果及分析可以看出，焊接壓力16 N和焊接壓力14 N的試驗效果較好，但在試驗過程中，焊接壓力設(shè)定為16 N時，平行縫焊后金屬管殼焊道較寬，因此焊接壓力設(shè)定為14 N比較合理。

同樣，按照上述方法，依次確定了對金屬外殼絕緣子裂紋影響較大的其他重要參數(shù)，如縫焊電流、滾焊速度、焊點間距等。

4 結(jié)束語

目前中國兵器工業(yè)第二一四研究所厚膜混合集成電路平行縫焊封裝工藝運行穩(wěn)定、效率高，不僅可以完成厚膜電路的金屬管殼封裝，還可以協(xié)助LTCC等完成電路金屬管殼封裝。雖然部分電路存在金屬管殼封裝和加壓檢漏出現(xiàn)玻璃絕緣子裂紋的現(xiàn)象，但是通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)還是可以解決問題的。未來還將在平行縫焊多功能夾具、封裝質(zhì)量提高以及應(yīng)用領(lǐng)域拓寬等方面展開進(jìn)一步研究，以使金屬封裝工藝發(fā)揮更重要的作用。

[1] 李凱瑞·恩洛[美]著，朱瑞廉譯. 混合微電路技術(shù)手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會. 微電子封裝技術(shù)[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.

[3] 劉艷，等. 平行縫焊工藝及成品率影響因素[J]. 電子與封裝，2006，6（3）：15-16.