浅谈平行缝焊封盖工艺影响因素（一）

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要介绍了平行缝焊封盖工艺影响因素。

封盖夹具与工艺稳定性

平行缝焊属于滚动式焊接工艺，焊接作业过程中，电极会沿管壳边缘从一端匀速移动至另一端，同时持续放电形成连续的焊点阵列。焊点的外观形貌与成型质量，由焊接过程中各点位作用于管壳的实际焊接功率直接决定，因此，保障全部焊点的一致性是把控整体焊接质量的核心，而电极与管壳之间的接触压力是决定焊点一致性的关键因素。

在电极与管壳接触、相对运动的全过程中，若夹具结构设计不合理、加工精度不足，会造成管壳装夹固定不牢固，焊接过程中出现管壳震颤问题，直接改变不同焊点成型时管壳与电极的接触状态。当电极移动至管壳两端区域时，管壳极易出现整体翘起的现象(见图1)。该类工况问题会大幅增大接触电阻的波动幅度，进而造成焊接功率不稳定、焊点成型一致性失控，最终导致整体焊接质量缺陷。

盖板转角与焊接缺陷

平行缝焊工艺的整体焊接质量，由整段焊缝中质量最差的焊点决定。方形结构管壳的焊接缺陷多集中在四个转角位置，也就是缝焊的起始端与终止端，该区域是影响整体焊接良品率的薄弱环节。

(1)转角半径

金属盖板的拐角结构形态对焊接质量影响显著，圆弧式转角的焊接成品率远高于90°直角转角。通过显微观测可发现，盖板拐角处的焊点密集度远高于焊缝直线区域。拐角位置的焊点数可通过下述公式计算：

式中：L为电极轮从接触拐角至脱离盖板的移动距离(mm);v为电极移动速度(mm/s);N为每秒焊接脉冲数。

由于电极轮表面为圆锥结构，若盖板采用直角转角，焊接过程中拐角处会出现焊点二次堆叠的情况，焊接能量过度集中，极易造成拐角位置材料热烧穿，引发器件漏气失效问题。而采用圆弧转角结构时，电极轮的有效焊接半径会随焊接进程逐步减小，有效延长电极轮在拐角焊缝的停留焊接时间。

目前行业研究中，针对盖板最佳圆弧转角半径存在两组参考标准，分别为0.8~1mm与1.4~1.5mm。圆弧转角结构可有效延长有效焊接行程，焊接过程中，焊轮随贴合进度高度逐步下降，焊点均匀分布于圆弧拐角表面。合理匹配拐角圆弧半径参数，既能避免拐角焊点过于密集、能量集中烧蚀的问题，又可保证相邻焊点充分搭接，保障焊缝连续性与密封性。

(2)延迟距离

焊接高度、延迟距离、提前结束距离等工艺参数，均会直接影响平行缝焊的焊接成型效果。实际焊接作业中，需将焊接高度设置为比设备自动测高数值大0.5~1.0mm，使设备压力弹簧充分压缩，以此保障焊接压力稳定可靠，确保电极在全程焊接过程中与盖板保持紧密贴合接触。

电极靠近、脱离盖板的瞬间易产生尖角放电现象，造成盖板转角打火、材料灼烧，形成永久性焊接缺陷。针对该问题，一方面可通过取消90°直角转角结构、采用圆弧转角，从结构层面规避尖角放电诱因;另一方面可通过设置合理的焊接延迟距离，使电极轮平稳完成焊接起始的爬坡动作与焊接结束的下坡动作，彻底解决焊缝首尾打火、焊点搭接失效的问题。电极轮爬坡、下坡及延迟距离匹配原理见图2。

焊接能量与PIND多余物

常规平行缝焊封盖工艺工况下，器件产生颗粒噪声多余物的概率较低。但相关试验研究表明，对平行缝焊密封的电路器件开盖检测后，可在芯片表面发现球形金属颗粒物，材质主要为镍、金合金，该类微观颗粒物尺寸、质量极小，单颗球体质量不足0.2μg，常规产品PIND筛选检测无法有效识别，存在隐蔽性质量风险(见图3)。

结合镍金二元合金相图(见图4)分析，镍金合金熔化温度需达到900℃以上，器件整体组装工艺流程中，仅平行缝焊密封工序可达到该温度条件。由此可判定，球形金属多余物来源于管壳与盖板的表面镀层：焊接过程中，壳体与盖板结合面的镀层受高温熔化，在盖板挤压作用下向器件内部流淌，熔化的金属镀层冷却凝固后形成球形多余物。

为解决该问题，行业优化方案明确：在保障器件气密性与焊缝结构强度的前提下，将器件内部焊缝宽度控制在外壳厚度的0.4~0.6倍(见图5)，可有效避免焊接功率过大、焊接能量过剩引发的镀层金属飞溅、内部多余物滋生等问题。

压力与热量的工艺影响

平行缝焊封焊过程中，封焊环区域会产生瞬时高热量，易对管壳引线固定及密封用玻璃绝缘子的可靠性造成不良影响。玻璃绝缘子与金属外壳的热膨胀系数存在明显差异，且玻璃材质脆性大、抗热冲击能力弱，若封焊功率过大、瞬时热输入过高，引脚区域温度会急剧攀升，进而引发玻璃绝缘子开裂。该类细微裂纹会在后续可靠性试验中持续扩展、延伸，最终造成器件漏气，严重影响产品长期使用的可靠性。平行缝焊金属外壳结构见图6，绝缘子裂纹的核心影响因素见图7。

 

相关对照试验证实，电极焊接压力是影响玻璃绝缘子开裂的核心工艺参数之一。试验分别采用8N、10N、12N、14N、16N五组焊接压力完成样品密封，焊接后对样品玻璃绝缘子进行外观检测与气密性检测。试验结果显示：14N、16N焊接压力工况下的样品，绝缘子开裂、器件漏气缺陷发生率极低，其余压力参数对应的样品均存在大量绝缘子裂纹及漏气失效问题。进一步对比两组最优参数，16N焊接压力成型的焊缝宽度大于14N工况，过大的焊缝宽度易造成材料浪费、热影响区域扩大，因此，最优焊接压力参数确定为14N。

镀层质量工艺要求

盖板镀层材质、制备工艺与平行缝焊密封工艺参数高度相关。从镀层材质来看，镍镀层适配的焊接功率较小，金镀层所需的焊接功率相对更高。在镀层厚度相同的前提下，不同的电镀制备工艺也会改变缝焊适配参数：化学镀金层所需的焊接功率，显著低于电解镀金层的焊接功率，工艺适配性更优。

盖板质量核心要求

高品质盖板是保障平行缝焊工艺稳定性与器件高可靠性的基础，适配平行缝焊工艺的盖板需满足以下核心质量要求：

1)热膨胀系数与底座焊环保持一致，与器件瓷体热膨胀系数相近，规避焊接热应力引发的变形、开裂问题;

2)焊接熔融温度尽可能低，可降低焊接功率与热输入，减少热损伤与工艺缺陷;

3)材料耐腐蚀性能优异，提升器件长期服役的环境适应性与使用寿命;

4)整体尺寸精度高，尺寸误差控制在极小范围，保障装夹精度与焊接一致性;

5)表面状态良好，具备平整光洁、无毛刺、无污渍沾污的特性，避免表面缺陷影响焊接接触状态与焊缝质量。