储能焊接工艺的工作原理和操作步骤

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要介绍了储能焊工艺。

储能焊概述

储能焊是金属外壳封装常用的精密密封焊接工艺，主要用于实现各类电子器件金属壳体的可靠密封。该工艺利用大电流焦耳热，在极短时间内完成金属管座与管帽周边同步熔融焊接，形成稳定密闭封装结构，满足电子器件密封使用要求。

储能焊工作原理为：通过专用夹具将金属管壳与管座固定在焊机上下电极之间，由设备储能电容器长时间储存电能，在电极接触瞬间快速释放，形成瞬时大焊接电流。同时，管帽与管座在电极压力下紧密贴合，接触电阻急剧减小，电能瞬间转化为高密度热能，使接触面金属熔融并完成熔焊密封。焊接过程中，压力、热量、焊接时间是决定密封质量的三大核心条件，精准控制三项参数可保证密封效果合格稳定。

目前国内电子封装领域已广泛应用储能焊工艺。依托储能焊工艺，完成高可靠电源模块、混合集成电路封装，保障航天器件工作稳定性。同时，国内大量专业生产企业也将储能焊作为混合电路、模块电路封装的核心工艺。

工业与民用电子领域中，分立器件、光电器件等通用器件的壳体密封普遍采用储能焊工艺，北京飞宇、沈阳飞达等封装厂家均实现规模化应用。工艺配套的金属封装管壳已完全实现国产化，国产管壳性能、质量与国际产品基本持平，可完全替代进口，目前国内储能焊封装所用管壳大多为国产加工产品。

工艺步骤

结合储能焊标准化生产规范，其完整工艺操作步骤如下：

1) 开启储能焊机总电源与工作照明灯，检查设备通电及照明状态正常，完成前期设备准备。

2) 监测干燥箱露点数值，当露点≤-35℃时，判定箱内环境达标，可开展焊接作业。

3) 将半成品与配套管帽放入烘箱，设置温度135℃±5℃启动加热;反复进行7次抽真空、充氮气循环，彻底去除水汽与杂质，随后冷却烘箱至40℃以下备用。

4) 打开压空阀与冷却水阀，检查设备气动、冷却系统运行正常，满足焊接工况要求。

5) 根据半成品与管帽尺寸选配匹配的模具电极，检查电极表面洁净无损伤、无氧化变形，保证焊接接触面精度。

6) 将合格电极固定于焊机上下工作台，保证安装牢固、对位精准;将烘干后的半成品与管帽移入干燥箱存放，关闭烘箱，防止二次吸潮沾染杂质。

7) 将管帽放置于下电极定位区，精准对位放入管座，双手同步按压焊接按钮启动焊接，设备提示声响出现即代表焊接完成。将成品取出放入专用传递盒，统一归集。

8) 按照储能焊质量检验规范对成品进行检测，合格品随工艺流程单移交下道工序;不合格品标注“×”并隔离存放，避免混入合格品。

9) 整批焊接作业结束后，依次关闭压空阀、冷却水阀与设备总电源，完成设备停机操作。

储能焊颗粒噪声问题

粒子碰撞噪声检测(PIND)是电子元器件可靠性筛选与质量一致性检验的关键项目，用于检测器件封装腔体内部的可动颗粒物。高可靠电子器件常工作于高加速度、强振动环境，腔体内的可动颗粒会获得高动能，极易损伤键合丝等核心结构，造成器件电性能失效，甚至引发整套装备故障，因此多余物控制是高端密封器件生产的关键技术难点。

储能焊依靠瞬时大电流焦耳热实现壳体封焊，但焊接区域功率密度分布不均，局部金属过度熔融易产生可动金属颗粒并残留于腔体内部。本节重点分析储能焊金属颗粒物的产生机理，梳理封装多余物控制方法，提出针对性工艺优化方案，有效降低颗粒噪声缺陷率。

PIND失效鱼骨图分析

储能焊器件PIND失效的主要诱因是腔体内存在可动颗粒，主要分为封焊前残留的腔体多余物、封焊过程产生的金属飞溅物两类，两类颗粒存在多项细分来源，具体诱因关联逻辑如图1所示。

 

 

封焊前可动多余物控制措施

封焊前组装工序易产生硅渣、键合丝尾丝、粘接碎屑、外来杂质等多余物，可通过目视检查结合氮气吹扫完成清除，相关操作可参照GJB548B一2005方法2010。若多余物清理不彻底，经高温烘焙后易熔融粘连芯片、基板，引发器件短路失效。

器件装配过程中仍易引入隐性多余物，主要来源包括：设备残留的焊接金属残渣、橡胶防护手套老化脱落的蜡质与胶质颗粒、镊子及吸头等工装粘附的细小杂质，这类颗粒易落入精密腔体造成污染。

结合生产管控经验，可通过环境管控、规范操作、设备养护等方式防控封焊前多余物，具体措施如下：

1) 定期置换焊机腔体气体，保持腔体洁净干燥，杜绝杂质残留。

2) 严格管控净化厂房洁净度、温湿度，保证生产环境达标。

3) 规范前道工序操作，杜绝违规作业引入颗粒物。

4) 定期检查、更换设备老化胶皮配件，清理表面蜡质碎屑，防止颗粒脱落。

5) 建立设备定期清洁制度，彻底清除工位、电极、腔体的焊接飞溅残渣。

6) 选用高品质粘接胶与焊料，提升封装牢固度，避免辅料残渣剥落。

7) 落实全流程防静电措施，防止静电吸附尘埃颗粒污染器件。

8) 落实封焊前全检目检，采用氮气枪吹扫腔体、基板，彻底清除封装残渣。

封焊前可动多余物预检测技术

传统颗粒噪声管控以被动预防清理为主，基板缝隙、绝缘子贴合处的隐性细小多余物难以通过目检发现，封装后易造成PIND检测不合格，导致产品报废、增加生产成本。

针对该问题，可依据器件规格定制专用预PIND测试夹具，在未封盖状态下装配并预紧管座、管帽，开展前置颗粒噪声检测(图2a)。预置键合丝、细小尘土、金属碎屑等杂质测试验证，该夹具检测损耗小、灵敏度高，可有效检出各类可动颗粒。

预检测不合格器件可拆解清理多余物，复检合格后再进行封焊，从源头规避成品失效问题。封焊前PIND预检测流程如图2b所示，典型不合格多余物类型如图2c所示。

 

 

预检测技术可弥补人工目检的短板，精准排查隐性可动多余物，降低报废率。针对批次性不明PIND失效，可通过该技术区分缺陷来源为封焊前残留多余物或焊接新生金属颗粒，为工艺整改和质量溯源提供可靠依据。