王文川

摘? 要：為解決混合微電子模塊在激光氣密封裝過(guò)程中生產(chǎn)效率極低、蓋板與殼體貼合不緊密的問(wèn)題導(dǎo)致成品率低的問(wèn)題，研究制造出一套通用于激光氣密封裝的高精度定位工裝系統(tǒng)。通過(guò)這種工裝應(yīng)用、應(yīng)用驗(yàn)證，證實(shí)使用該高精度定位系統(tǒng)之后，可有效提高混合微電子模塊激光氣密封裝的生產(chǎn)效率，保證蓋板與殼體貼合緊密、平整，有效提高成品率。

關(guān)鍵詞：焊接工裝;激光縫焊;工件定位;生產(chǎn)效率;降低成本

中圖分類號(hào)：TG456.7? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0179-02

Abstract： In order to solve the problem that the production efficiency of hybrid microelectronic module is extremely low and the cover plate does not fit closely with the shell in the process of laser airtight packaging， a set of high precision positioning tooling system for laser airtight packaging is developed. Through the application and verification of this kind of tooling， it is proved that the use of the high-precision positioning system can effectively improve the production efficiency of laser airtight packaging of hybrid microelectronic module， ensure that the cover plate fits tightly and smoothly with the shell， and effectively improve the yield of finished products.

Keywords： welding tools; laser seam welding; workpiece positioning; production efficiency; cost reduction

引言

混合微電子模塊是航天電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件之一，由于服役環(huán)境苛刻，要求模塊具有優(yōu)異的抗輻照惡劣環(huán)境的需求，因此需要對(duì)模塊進(jìn)行氣密封蓋以保證模塊內(nèi)其內(nèi)部電路及元器件在服環(huán)境下的性能和可靠性，氣密封蓋可以保護(hù)模塊內(nèi)部的電路與外界隔絕，不受外界的干擾與破壞。目前國(guó)內(nèi)外常用的氣密封蓋技術(shù)有釬焊封焊、平行封焊、激光縫焊三種，激光封焊技術(shù)與釬焊封焊技術(shù)相比屬于局部加熱焊接方法，對(duì)電子模塊內(nèi)部電路熱影響極小，且適合于一些較大尺寸模塊的氣密封裝;與平行縫焊技術(shù)相比，其適合于非規(guī)則結(jié)構(gòu)盒體的氣密性封裝，且可實(shí)現(xiàn)一些導(dǎo)電材料的氣密性縫焊。因此，近年來(lái)，激光縫焊技術(shù)在微電子模塊的氣密性封焊中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，我所主要采用的是進(jìn)口GB-600型手套箱縫焊機(jī)，設(shè)備主要由激光器、手套箱、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、焊接工作臺(tái)等分系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)備。本文主要從模塊在焊接工作臺(tái)上固定定位方面進(jìn)行研究，分析其對(duì)生產(chǎn)效率、成本以及蓋板與殼體貼合度的影響。

1 研究方案

1.1 組件激光縫焊快捷定位方式

為了保證混合微電子模塊焊縫金屬不受有害氣體的侵襲，防止氧化污染，提高焊縫的性能，為了抑制焊接過(guò)程中空隙產(chǎn)生，提高焊接可靠性，所有激光氣密封裝均需要排除有害氣體?；旌衔㈦娮幽K人工用膠帶在手套箱里將蓋板殼體與蓋板固定定位至光滑的焊接工作臺(tái)面，這種固定定位模塊設(shè)計(jì)方法，由于手套箱的手套厚重，操作極為不便;膠帶固定蓋板力度不夠，蓋板易產(chǎn)生翹且蓋板、殼體與工作臺(tái)面之間不能精準(zhǔn)定位以及快速固定，需要作業(yè)人員反復(fù)矯正焊縫程序和調(diào)整組件的固定位置。焊接完成后，焊縫出現(xiàn)裂紋或未熔焊現(xiàn)象，組件一次性焊接合格率僅為60.78%，返修率高達(dá)39.22%，從而影響焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

1.2 快捷定位方式激光縫焊工藝流程

激光縫焊組件傳統(tǒng)封裝焊接工藝流程包括工藝準(zhǔn)備、清洗、真空烘烤、膠帶固定組件、編寫焊縫程序、設(shè)置焊接起始點(diǎn)、模擬程序路徑是否與實(shí)際焊縫保持完全一致、設(shè)置焊接參數(shù)、點(diǎn)焊固定蓋板、去除蓋板膠帶、程序模擬運(yùn)行查看組件是否位移、連續(xù)焊接、壓氦、氣密檢測(cè)和質(zhì)量檢驗(yàn)等18個(gè)工序，生產(chǎn)效率低，單套殼體平均封焊用時(shí)2.77小時(shí)。

1.2.1 高精度定位工裝系統(tǒng)工作原理。針對(duì)快捷固定定位的問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種一體化通用激光焊接高精度定位工裝系統(tǒng)。采用以絲桿為核心的固定、壓緊裝置操作，將組件放置于工作臺(tái)底板上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)滑塊相嚙合的絲桿，帶動(dòng)滑塊在梯形導(dǎo)向槽內(nèi)向底板中心移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)組件快速固定于精準(zhǔn)定位，并通過(guò)多組可調(diào)機(jī)械臂壓緊裝置系統(tǒng)在蓋上相應(yīng)點(diǎn)或面施加壓力，使蓋板與殼體緊密貼合，從而保證殼體與蓋板之間的焊縫良好。

1.2.2 高精度定位工裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一體化固定裝置梯形導(dǎo)向槽底板采用了具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性輕型鋁材5A06-H112材料，其余部件選用06Gr18Ni11Ti材料。確保一體化固定定位裝置的重量不超過(guò)伺服電機(jī)傳導(dǎo)絲桿稱重極限，影響傳導(dǎo)精度以及防止固定位組件時(shí)，移動(dòng)滑塊變形失效。一體化固定裝置主要由提箱導(dǎo)向槽、2根傳導(dǎo)絲桿、4個(gè)移動(dòng)滑塊、4個(gè)支撐板、1個(gè)墊板、2個(gè)手柄六部分組合而成，該一體化固定定位裝置使用于焊接最小尺寸不限，最大尺寸為198mm×198mm的任意結(jié)構(gòu)殼體焊接應(yīng)用，通用型強(qiáng)，滿足GB-600型手套箱激光縫焊設(shè)備焊接不超過(guò)最大尺寸200mm×200mm的設(shè)計(jì)要求。

1.2.3 一體化壓緊裝置采用06Gr18Ni11Ti材料，以防止在蓋板壓緊過(guò)程中失效。一體化壓緊裝置主要由4個(gè)導(dǎo)向槽、4個(gè)壓緊塊、4個(gè)手柄、4根調(diào)節(jié)絲桿、4個(gè)萬(wàn)用壓緊塊、4顆壓緊釘、4個(gè)端蓋七部分構(gòu)成。導(dǎo)向槽與移動(dòng)滑塊、壓緊塊與萬(wàn)用壓緊塊、萬(wàn)用壓緊快與壓緊釘之間都采用可調(diào)式螺紋連接方式，壓緊蓋板時(shí)，可根據(jù)組件結(jié)構(gòu)形式360度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向槽，調(diào)節(jié)萬(wàn)用壓緊塊和壓緊釘選取不同的點(diǎn)位或面對(duì)蓋板進(jìn)行壓緊，可滿足任何組件殼體的壓緊，打點(diǎn)焊接、連續(xù)焊接以及蓋板與組件殼體貼合度的控制要求，擴(kuò)大了壓緊裝置的實(shí)用性和通用性，采用一體化固定定位裝置設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

以自動(dòng)固定定位方式代替原有人工采用膠帶、憑經(jīng)驗(yàn)觀察固定定位的方法，可有效解決原工藝方法人工采用膠帶固定/拆卸組件操作繁瑣、難度大、反復(fù)修正固定組件殼體效率低的問(wèn)題;移動(dòng)滑塊與絲桿為螺紋連接，構(gòu)成一個(gè)自鎖系統(tǒng)，有助于穩(wěn)定性，可確保殼體固定牢靠，作業(yè)過(guò)程中組件殼體不會(huì)因固定力度不夠而偏離原固定位置，有效解決了作業(yè)過(guò)程中重復(fù)固定組件殼體問(wèn)題;定位精準(zhǔn)，無(wú)需反復(fù)矯正編寫確認(rèn)焊縫程序路徑與實(shí)際焊縫是否完全保持一致，從而有效提高了工作效率。

1.2.4 采用一體化壓緊裝置設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

以機(jī)械手柄的形式代替了原有采用膠帶壓緊固定蓋板，操作簡(jiǎn)單、方便、快捷，且效率高;壓塊與調(diào)節(jié)絲桿為螺紋連接，具有力源自鎖，可使施加在蓋板上的力源保持穩(wěn)定不變，控制蓋板與殼體焊接邊緣完全保持平整，打點(diǎn)焊接過(guò)程中蓋板不會(huì)翹起，不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)邊現(xiàn)象。同時(shí)焊接過(guò)程中蓋板易變形翹曲的問(wèn)題以及焊縫不平整、易出現(xiàn)裂紋以及未焊接現(xiàn)象也得到了有效的解決，從而提高了焊接質(zhì)量。

1.3 高精度定位工裝系統(tǒng)激光縫焊工藝流程

優(yōu)化后，減少了5個(gè)工藝過(guò)程，取消重復(fù)作業(yè)的過(guò)程，且過(guò)程中沒(méi)有返修，單套模塊縫焊工藝時(shí)間從2.77h/套下降到1.01h/套，大大提高了激光縫焊的生產(chǎn)效率。

2 應(yīng)用情況及效果

2.1 項(xiàng)目應(yīng)用情況

目前為止，該高精度定位工裝系統(tǒng)已應(yīng)所內(nèi)多個(gè)重點(diǎn)科研生產(chǎn)項(xiàng)目，共計(jì)1098套模塊/組件以上，解決了殼體對(duì)位不精準(zhǔn)及蓋板貼合不緊密導(dǎo)致的蓋板翹起，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品氣密性不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題;以自動(dòng)定位方式代替原有人工憑經(jīng)驗(yàn)觀察定位的方法，采用機(jī)械臂固定蓋板，減少了重復(fù)固定組件和編寫焊縫程序的過(guò)程，極大節(jié)省了作業(yè)時(shí)間和設(shè)備空運(yùn)行時(shí)間， 達(dá)到了簡(jiǎn)化工藝流程、提高了生產(chǎn)效率的目的。

2.2 應(yīng)用效果分析

高精度定位工裝系統(tǒng)在本所首次實(shí)施后，在我所多個(gè)產(chǎn)品與重點(diǎn)研制項(xiàng)目中得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本等方面起到關(guān)鍵性作用，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，單套模塊縫焊工藝時(shí)間從2.77h/套下降到1.01h/套，大大降低了工藝損耗，直接節(jié)約生產(chǎn)成本39.58萬(wàn)，節(jié)約設(shè)備使用成本73.56余萬(wàn)，具體詳見(jiàn)表1。如果后續(xù)研制生產(chǎn)種類、數(shù)量的增加，則節(jié)約成本更多。生產(chǎn)效率顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

高精度定位工裝系統(tǒng)所內(nèi)科研生產(chǎn)項(xiàng)目多、小批量、多品種的特點(diǎn)的應(yīng)用，通過(guò)重新設(shè)計(jì)改進(jìn)激光縫焊工裝夾具，使激光縫焊的生產(chǎn)能力有了大幅度的提升;該高精度定位工裝系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、靈活，節(jié)約了作業(yè)過(guò)程中的反復(fù)操作時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本;該方法適用于各類結(jié)構(gòu)形狀組件/模塊的激光氣密性封裝技術(shù)，應(yīng)用范圍廣泛，通用性強(qiáng)。

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