基于MATLAB 的集成電路儲能焊封裝能量分布研究

王旭光，楊鎵溢，江 凱，鄒 佳

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400000）

1 引言

微電子元器件氣密性封裝的目的是為了保證電路內(nèi)部芯片、鍵合絲等與外界環(huán)境的隔絕，并為芯片提供良好的工作環(huán)境，使其可以穩(wěn)定可靠、正常地完成電路的功能。隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，用戶對混合集成電路的封裝可靠性也提出了日益嚴苛的要求，所以對封裝工藝過程的研究具有重要的意義。集成電路的氣密性封裝工藝，常見的主要有平行縫焊、儲能焊和激光焊等。其中儲能焊主要適用于中小型腔體的金屬管殼氣密性封裝，具有速度快、效率高、發(fā)熱低的優(yōu)點，在高可靠性氣密性封裝中具有重要的作用[1-3]。

目前，國內(nèi)對儲能焊設備的工作原理以及工藝進行了一些研究。任愛華等人主要對設備的工作原理進行介紹，并利用電容電阻的電學原理對設備進行設計和優(yōu)化[4]。趙鶴然等人對儲能焊的電壓電流進行了工藝研究，并引入了直流電阻模型來描述儲能焊的工藝過程[5]。本文針對儲能焊工藝從理論上進行了數(shù)學建模，并完成理論分析、仿真與實驗驗證。

2 儲能焊機工作原理

本文以某儲能焊機為研究對象進行說明。工作中，首先設置好相應管殼的工藝參數(shù)，包括焊接壓力以及焊接電壓。接下來，將電路置于夾具中，放于儲能焊設備的上下電極中，啟動開關即可完成一次焊接作業(yè)，圖1 為儲能焊電路裝夾示意圖。將電路管殼管帽組合后置于夾具中，再將夾具放于儲能焊設備的上下電極中，即可完成一次封帽準備工作。

圖1 電路裝夾示意圖

具體工作原理如圖2 所示。首先通過開關S1的閉合，利用電源對電容器進行充電，將電能儲存于電容器中，在工作瞬間，開關S1斷開，S2閉合，形成另一組通路電路，通過電容、電感以及電阻，將電容中儲存的能量輸出，轉(zhuǎn)化為熱能，用于熔化管殼表面的鍍層，從而實現(xiàn)氣密性封裝的任務。

圖2 儲能焊工作原理

根據(jù)圖1 以及儲能焊的工作原理介紹，為了進行儲能焊過程原理分析，進行以下定義和假設：放置電路管殼的上下夾具電阻為R1；在某一壓力P 下，管帽與底座接觸電阻為R2；假設夾具上下工作面處于理想平面度內(nèi)，管殼上下接觸面也處于理想的平面度內(nèi)，且管殼底座的密封筋在一個周長內(nèi)各項參數(shù)一致性良好。每個放電周期內(nèi)儲存在電容內(nèi)的能量保持不變，電容器的電容值為Cp，充電電源的電壓為U電源，u電極表示充電過程中的瞬間電壓。

儲能焊設備在工作中，開關S1閉合，構(gòu)成一個充電回路，由電源、電阻R充以及電容Cp組成。根據(jù)電路學基本理論，可以得出電容在充電結(jié)束后，其兩端的電壓為U電源。

定義Qc為電容器中儲存的能量，i 為充電過程中的瞬間電流，可以得到：

電容器儲存的能量：

從式中可以看出，儲能焊設備在一次充電過程中，電容器存儲能量的大小與Cp成正比，與成正比，所以在工藝參數(shù)選擇中，面對不同型號的管殼，需要改變電容器的儲存能量，就可以調(diào)節(jié)Cp或U電源來增加或者降低能量。同時也可以看出，為了增加電容器儲存能量，提高充電電壓比提高容量更為有效。

電容器完成充電后，根據(jù)不同設備放電形式可以劃分為兩種：一種是直接放電；另一種是間接放電，通過變壓器來進行轉(zhuǎn)換。直接放電式的儲能焊設備優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能量利用率高，但是在生產(chǎn)中由于放電電壓過高，經(jīng)常會導致巨響和金屬飛濺產(chǎn)生，同時高電壓也易產(chǎn)生危險事故，所以目前隨著集成電路封裝高可靠性的發(fā)展要求，大多數(shù)儲能焊設備均采用間接放電的形式。

當開關由S1閉合、S2斷開切換為S1斷開、S2閉合狀態(tài)時，設備就進入放電狀態(tài)。如圖3 所示為電容器放電回路。

圖3 電容器放電原理圖

放電回路主要由電容、變壓器以及電阻R1和R2構(gòu)成，電容器儲存的能量主要以電阻熱的形式釋放于電阻R1和R2上。其中R2上的電阻熱用于將密封筋熔化而將管殼焊接在一起。假設變壓器的效率為100%，不存在能量損耗，則可以將放電回路進行簡化，忽略變壓器的變壓作用，得到圖4。

圖4 電容器放電簡化原理圖

根據(jù)電路原理，電容器在放電過程中的電壓變化與整個電路的電阻與電容器的電容C 有關。電容器放電開始的電壓U電極=U電源。放電過程中電容器的電壓隨時間而逐漸減小，且滿足關系：

所以得到電阻R2上產(chǎn)生的電阻熱為[6-7]：

通常設置的放電時間τ 遠遠小于電容器的放電周期T。

從儲能焊工藝中用于密封焊接的理論能量公式中，可以看出能量主要與電壓以及夾具電阻和管殼接觸電阻有關。為了更直觀地了解焊接能量與電壓、電阻之間的關系，本文采用MATLAB 軟件對其進行模擬，焊接能量與電壓的關系如圖5 所示。

圖5 焊接能量與電壓關系

從圖5 可以看出，焊接能量隨電壓的升高而升高，電壓增大，焊接能量變大。電壓變小，則會導致焊接能量不足。焊接能量與電阻R2的關系圖（圖6）表明，當夾具的電阻R1一定的時候，密封筋焊接能量與電阻R2的關系呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，在電阻R2小于夾具電阻的一半時，隨著電阻R2的增加，密封筋的焊接能量增加，而當大于夾具電阻的一半時候，隨著R2的增加，焊接能量變小，焊接火光變暗。而R2的大小除了與材料本身有關外，還與電極的氣壓有關，隨著壓力的變化，電阻R2相應發(fā)生變化。一般情況下，隨著氣壓的增加，電阻R2變小，氣壓變小則R2增大。圖7 所示為焊接能量與電阻R1之間的關系，隨著R1的增大，密封筋焊接能量隨之減小，而且后續(xù)變化率越來越小。綜上所述，利用MATLAB 軟件對其進行仿真，得到了焊接能量與電阻以及電壓之間的三維示意圖（見圖8）。

圖6 焊接能量與電阻R2 關系

圖7 焊接能量與電阻R1 的關系

圖8 焊接能量與電壓、氣壓三維關系

3 試驗研究

為了對本文提出的焊接能量理論分布進行驗證，進行了相關試驗。選用同一廠家生產(chǎn)的同一批次管殼及其相應管帽，經(jīng)過清洗后，在同一時間段內(nèi)利用同一臺儲能焊設備和夾具采用不同工藝參數(shù)進行封帽。因為夾具不變，所以本方案僅考慮電壓以及氣壓2 種參數(shù)，共設置4 種封帽參數(shù)。

表1 分組參數(shù)

隨機取一只封帽樣品，對焊接位置利用金相顯微鏡，按照GB/T 16594-2008 以及GB/T 17359-2012 對其進行SEM 和EDS 分析，具體結(jié)果見圖9。

圖9 切面形貌及SEM/EDS 結(jié)果

根據(jù)管殼資料顯示，蓋板與管殼基材為可伐，蓋板表面鍍鎳，管殼表面鍍金，由圖中切面圖看出，內(nèi)部和縫隙處的銀白色溢出物成分為Fe/Ni/Au，結(jié)合儲能焊原理以及成分結(jié)果，該物質(zhì)為蓋板與管殼表面的鍍層在焊接能量下熔融凝固而成，液態(tài)熔融鍍層分布于封接環(huán)的四周，凝固后形成管殼與蓋板的連接[8]。

同時對不同焊接參數(shù)下的電路外觀進行研究分析，封帽局部放大圖如圖10 所示。從圖10 中可以看出，管殼與蓋板經(jīng)過儲能焊后，鍍層熔化溢出，將蓋板與管殼連接起來形成密封。但是不同的參數(shù)對于鍍層熔融物的形成具有不同的影響。第一組采用標準參數(shù)，鍍層熔融物分布均勻，飽滿。第二組焊接氣壓增加，接觸電阻降低，焊接能量降低，同時電壓降低，也導致焊接能量偏低，綜合考慮，其焊接總能量降低；但是由于壓力增加，有利于蓋板和管殼的有效接觸，所以在封接環(huán)周長方向其接觸電阻的分布均勻性更好，導致熔融物的溢出均勻性在豎直方向更好。第三組增加壓力導致接觸電阻變小，焊接能量降低，如圖10（c）所示，熔融物溢出相對較少。第四組壓力降低，導致接觸電阻變小，同時由于電壓增加，導致焊接能量增大，從圖10（d）可以看出，熔融物溢出變多，但是由于壓力降低，無法有效保證管殼與蓋板的緊密接觸，所以在封接環(huán)的周長方向接觸電阻分布不均，最終影響到熔融物的溢出均勻性。從圖中可以看出，鍍層熔融物溢出較多，但其豎直方向的分布一致性較差。將焊接后的管殼進行切片拋磨，分析結(jié)果如圖11 所示。

圖10 封帽局部放大圖

圖11 管殼切片電鏡局部圖（左圖150 倍，右圖2000 倍）

對4 組鍍層數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到表2。從表2 可以看出，壓力降低或者電壓增大，鍍層在熔融前后的厚度變化越大，主要原因是焊接能量增大導致的鍍層熔化較多，所以鍍層厚度變化較大，鍍層厚度隨焊接能量的增大而增大。

表2 管殼鍍層數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過4 組實驗，對比分析其封接環(huán)外部形貌以及內(nèi)部切片數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：（1）電壓越大，焊接能量越大，鍍層熔融物溢出越多，反之，鍍層熔融物溢出越少；（2）壓力越大，蓋板與管殼的接觸平整度越高，可以提高熔融物溢出后的寬度一致性，反之，壓力越小則會導致整個接觸面的接觸壓力偏小，存在接觸不均勻的情況，使不同接觸位置產(chǎn)生的焊接能量差異較大，鍍層熔融后標準差較大，熔融溢出物的寬度一致性較低。

結(jié)合本文的理論分析可以得到一般儲能焊工藝參數(shù)的確定規(guī)則：根據(jù)管殼的型號確定出管殼的大小、材質(zhì)、鍍層種類等，從而確定合適的焊接能量。由于實際中通常夾具固定不變，所以能量就主要由電壓的二次方及氣壓決定。氣壓的選取主要與管帽的材質(zhì)、尺寸等有關，要求設定的氣壓值能夠保證管帽與管殼在封帽中緊密接觸，而且能夠?qū)θ廴诘腻儗泳鶆虻財D壓，使其均勻分布在封接環(huán)周圍，形成連續(xù)的密封層。而放電電壓更直接決定了施加于封接環(huán)上的能量，能量過小會導致鍍層無法全部熔化，造成封接環(huán)局部鍍層熔融物不連續(xù)，引起集成電路氣密性失效；而如果電壓過大，焊接能量偏大，會導致封接環(huán)處的鍍層溢出物分布較多，表面粗糙度較高，且容易造成飛濺物產(chǎn)生，外觀較差。飛濺物是集成電路PIND 失效的原因之一，所以電壓的設定也不能過高。最終通過電壓與氣壓的合理優(yōu)化組合，確定出了最合適的工藝參數(shù)。