在氣密性集成電路封裝中常用的封裝工藝有平行縫焊、儲能焊、玻璃融封和金錫融封，不同的封裝工藝適用于不同的產品。其中，平行縫焊工藝具備易加工性、低溫升、高可靠等性能，近年來被封裝廠廣泛應用，尤其在光電領域、集成電路領域有突出的應用價值。

在多層陶瓷基體封裝外殼中，平行縫焊工藝對外殼材料的沖擊是工藝實施的重難點，工藝一旦控制不好，產品經常會出現以下不良問題：如打火、漏氣、斷焊、瓷裂等。本文將結合振華風光公司的生產經驗，通過對平行縫焊工藝的全面分析。

1 平行縫焊的基本原理

平行縫焊屬于電阻焊，縫焊時，用電極對被焊器件施加一定壓力的同時斷續通電，利用電極間的接觸以及電阻產生的焦耳熱使金屬蓋板與管殼鍍層熔化結合，達成氣密性焊接，確保了管芯和電路與外界環境的隔絕，避免外界有害氣氛的侵襲，同時也限制了封裝腔體內水汽含量和自由粒子等。

1.1 工藝主要實施過程

其工藝主要實施過程是兩個圓錐形滾輪電極壓住待封裝的金屬蓋板和管殼上的金屬框，焊接電流從變壓器次級線圈一端，經其中一個錐形滾輪電極分為兩股電流，一股電流流過蓋板，另一股電流流過管殼，經另一錐形電極，回到變壓器次級線圈的另一端。整個回路的高電阻在電極與蓋板的接觸處，由于脈沖電流產生大量的熱，使接觸處呈熔融狀態，在滾輪電極的壓力下，凝固后即形成一連串的焊點。這些焊點相互交疊，就形成了氣密填裝焊縫，對矩形管座而言，在焊接好的蓋板的兩條對邊后，再將外殼相對電極旋轉 90° 后，在垂直方向上再焊兩條對邊，這樣就形成了外殼的封裝。?

圖 1 平行縫焊封示意圖

1.2 平行縫焊工藝的主要影響因素

在平行縫焊工藝中，影響其工藝實施好壞的因素有很多，每一個因素控制不當都將影響平行縫焊加工產品的質量可靠性，繼而出現各種不良，以下將從人、機、料、法、環幾個方面展開分析。

人：生產過程中，外殼管基放入工裝夾具產品位的準確性和蓋板與管基對準的準確性是影響產品合格率的主要因素，如以上操作出現問題則可能出現偏蓋、漏焊等不良現象。

機：平行縫焊設備是工藝實施的必要條件，設備由逆變電源、電腦控制主機、顯示器、設備運行主機、手套箱組成，每一個部分都是設備運行的關鍵部件，缺一不可。當設備波動時，可能對平行縫焊工序的運行產生影響。

料：原材料是影響平行縫焊加工產品性能的最直接因素。對于陶瓷基體的封裝外殼來說，多層陶瓷的質量、金屬封接環的平整度、關鍵密封區域材料一致性等都將直接影響產品加工的良率。

法：在平行縫焊工藝中，周期和速度與總能量成正反比關系，脈沖、功率、長度與總能量呈正比關系。在實際工藝調整中，需要對合格影響參數進行配合才可得出可靠的縫焊工藝。

環：環境是影響縫焊成品率的關鍵因素，在氣密性集成電路中，對產品內部氣氛含量的控制有著嚴格的要求。當環境不密閉或者氮氣原氣不純凈時，內部氣氛含量將無法控制，焊縫邊緣也極易變色，從而產生缺陷品。

1.3 平行縫焊工藝幾種主要不良品產生的原因

在振華風光公司平行縫焊工藝加工的陶瓷基體的封裝外殼中，打火、漏氣、斷焊、瓷裂是其主要的不良因素，接下來逐一進行分析。

1.3.1 打火不良

打火是平行縫焊工藝中常見的失效模式之一，該現象出現于電極輪放電過程時。打火主要有兩種形式：中間打火和邊角打火。通過觀察，出現中間打火的產品易在電極輪行程過程中突然打火，通過分析，此類打火主要是因為壓力不夠或者電極輪與蓋板接觸面沾污導致。邊角打火往往出現于電極輪接觸產品的一刻和離開產品的一刻導致，此類打火主要是由于產品移動或者電極行程不夠導致。

1.3.2 漏氣不良

漏氣主要是產品在密封加工后，經過氦質譜細檢漏和氟油粗檢漏發現的產品密封性不足的不良現象。GJB548-2005 標準要求，氦質譜細檢漏中細漏率需 ≤5×10-3 Pa·cm3/s，粗檢漏如觀測到連續 3 個氣泡，則密封性不合格。平行縫焊產品中，漏氣主要有密封區域漏氣和管殼基體漏氣兩個方面。密封區域漏氣通常伴隨著打火、漏焊等不良現象，管殼基體漏氣主要伴隨著瓷裂等不良現象。

1.3.3 斷焊不良

斷焊不良是影響集成電路外殼氣密性和外觀一致性的主要因素，該公司斷焊不良品中，斷焊位置主要位于焊邊中部，造成此類不良的因素主要有電極輪狀態差和夾具不匹配。

圖 5 表面磨損嚴重的電極輪

1.3.4 瓷裂不良

陶瓷基體破裂是一種嚴重的失效模式，通常在密封完成后經外檢工序檢驗發現。造成陶瓷基體破裂的主要原因包括壓力過大、能量過大和工裝設計不合理等。陶瓷是一種脆性材料，其受力強度在 350 MPa 左右，雖然其擁有良好的強度，但同時也有著脆性的特性。當壓力過大時，陶瓷無法對承受的力進行有效的消散，從而導致陶瓷體內部過應力積累，繼而出現陶瓷裂紋。當能量過大時，多余的能量通過封接環傳遞至陶瓷基體，高溫升和能量的施加會導致陶瓷熱應力積累，出現裂紋。當工裝設計不合理時，將會導致在合適的工藝參數下，管殼不能將施加的應力進行快速的傳遞和消散，導致應力集中于管殼上的某一部分，使外殼分裂。除了上述常見的顯性裂紋，陶瓷裂紋還會有隱性狀態，其隱性裂紋出現在陶瓷體內部，通常很難在生產過程或封裝工序一級檢驗中發現，但在后續的篩選檢驗過程中，裂紋生長會由隱性裂紋演變為顯性裂紋，從而能被發現剔除。

圖 6 典型外殼瓷裂產品圖

2 針對不良的改進措施

2.1 打火不良的改進

通過分析，出現打火現象主要是因為壓力不夠或者電極輪與蓋板接觸面沾污導致。邊角打火往往出現于電極輪接觸產品的一刻和離開產品的一刻導致，此類打火主要是由于產品移動或者電極行程不滿足要求而導致。

只有設置適宜的壓力值，才能確保生產過程中不出現打火的不良情況，陶瓷基體封裝外殼壓力參數通常設置在 200 g~350 g 之間。另外，平行縫焊過程中有一個爬坡和下坡的動作，通過數據分析得知，出現邊角打火的原因主要是工藝設置不當，沒有考慮到外殼的部分離散情況。針對該問題，可以通過在工藝設置中調整延遲距離來解決，保證爬坡下坡過程的一致性。在原有設置中，延遲距離保持在設備默認狀態，沒有針對不同外殼進行特殊設置，導致部分外殼與初始設置匹配性差，從而引起打火。通過對邊角打火率高的封裝外殼進行針對性設置后，未發現邊角打火情況，此措施有效。

圖 7 平行縫焊邊角爬坡下坡示意圖

2.2 漏氣、斷焊不良的改進

漏氣、斷焊、瓷裂不良現象的產生存在相互交叉的影響因素，因此，接下來將統籌分析并提出改進措施。通過對工藝參數的符合性和產品加工完成后焊縫情況的質量分析，發現工藝參數設置在合理區間范圍內，不存在過大或其它異常情況。通過分析，發現若是電極輪在使用過程中更換不及時，會導致在縫焊過后加工的產品，外觀有毛刺、部分斷焊的情況，因此判定導致斷焊、漏氣的主要因素是電極輪使用不合理。

2.3 漏氣、瓷裂不良的改進

瓷裂圖如圖8 所示，通過觀察，此類封裝在結構中，瓷裂位置剛好和基體結構拐角處重合。在平行縫焊中，電極輪給管殼施加的是由上而下的力，此類夾具在底部由于管腳的翼型結構呈現懸空狀態，觀察此類產品工裝發現，此類工裝沒有對于管基懸空部分進行襯底考慮。通過受力分析，當管基受到自上而下的力時，力的作用不能通過外殼直接傳導，只能通過外引腳進行力的釋放，因此在拐角處可能會出現應力集中，導致瓷體開裂。

圖 8 管基懸空和瓷裂現象

針對瓷裂不良的問題，著重在工裝夾具上進行改進和優化，通過對產品的力學設計，對懸空部分增加襯底，保證了垂直力的施加能夠通過襯底直接進行釋放。通過三維建模，設計出適用的夾具，新夾具應用后，新生產的產品中沒有出現類似瓷裂的現象，措施有效。

3 優化前后對比驗證

對打火、漏氣、斷焊、瓷裂等不良現象進行工藝優化改進后，對 2021 年優化前后的生產情況進行了統計驗證，對于期間生產的陶瓷基體平行縫焊工藝封裝產品，打火、漏氣、斷焊、瓷裂等不良現象已不是導致產品失效的主要因素。

4 結語

本文通過對陶瓷基體平行縫焊工藝封裝工藝的分析，針對打火、漏氣、斷焊、瓷裂等主要不良影響因素進行工藝優化改進，通過采取電極輪延遲距離的設置、電極輪使用及工裝夾具的優化等措施，提升了產品質量與可靠性。

原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：淺談陶瓷封裝的平行縫焊工藝與技術