基于焊接数据分析的平行缝焊缺陷检测方法_王伟乾.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期57摘要：平行缝焊是一种用于对露点和气密性要求较高的微电子单片集成电路管壳进行气密性封装的封装工艺。影响缝焊质量的因素有很多，因此有多种针对平行缝焊缺陷检测的手段，通常是经过显微镜目检，氦质谱检漏和氟油粗检三种检测方式。通过对不同焊接问题反馈的焊接数据进行数据分析，提出一种基于焊接数据分析的平行缝焊缺陷检测，可以有效提高缺陷检测的准确率和效率。关键词：平行缝焊；焊接数据分析；缺陷检测中图分类号：TN606文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0057-04Abstract:Parallel seam welding is a kind of packaging process for hermetic packaging of microelectronic monolithic integrated circuit shell with high requirements for dew point and air tightness.There are many factors that affect the quality of seam welding,so there are a variety of methods to detect the defects of parallel seam welding,usually through visual inspection by microscope,helium mass spectrometry leak detection and fl uorine oil inspection.Based on the analysis of welding data from different welding problems,a parallel seam welding defect detection method based on welding data analysis is proposed,which can effectively improve the accuracy and effi ciency of defect detection.Keywords:parallel seam welding;welding data analysis;defect detection Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0057-04基于焊接数据分析的平行缝焊缺陷检测方法Parallel Seam Welding Defect Detection Based on Welding Data Analysis王伟乾，张慧俊，白晋铭WANG Weiqian,ZHANG Huijun,BAI Jinming（中国电子科技集团公司第二研究所，太原 030024）(The 2th Research Institute of CETC,Taiyuan 030024,China)0 引言在航天和军工等领域的电子设备中，为了应对某些复杂且多变的运行环境，对设备中的相关电子器件的稳定性和可靠性有着严格的要求。电子元器件的封盖方式通常有熔焊、焊料焊、胶焊和冷焊四种方式，其中熔焊是能完成气密性要求较高的封盖工艺，而平行缝焊就是熔焊的一种。因为经过平行缝焊后的电子元器件密封管壳要求很高的气密性和稳定性，所以缝焊后的管壳的缺陷检测也是生产环节中必不可少的一步。一个刚封装好的管壳可能需要经过多次多段不同的缺陷检测，才能保证缝焊产品质量1-3。如何有效提高缺陷检测的准确性和效率便显得尤为重要。1 平行缝焊质量问题1.1 管壳盖板对位不准造成管壳盖板对位不准可能是由于：1）焊接前对位操作出现失误；2）缝焊前未经过点焊处理，导致缝焊时电极轮搓动盖板；3）产品工装或夹具本来存在偏差。管壳盖板的对位偏差大小直接决定该产品是否报废。图1为对位不准的产品图像。作者简介：王伟乾（1 9 9 0-），男，硕士，毕业于北京科技大学，工程师，主要从事微电子封装工艺设备和等离子清洗设备的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.0152023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology58图1 管壳与盖板对位不准图4 焊接打火造成产品受损图2 焊接不牢固图3 上边无焊痕造成漏焊1.2 焊接不牢固脱盖在焊接过程中，焊接参数不匹配或电极没压住盖板时，缝焊后的产品不牢固容易脱盖，直观的表现是缝焊焊痕宽度窄且焊痕厚度薄。焊接不牢固严重影响焊接产品的可靠性。图2为焊接不牢固图像。1.3 漏焊或者焊点不均匀造成漏焊或者焊点不均匀的原因有很多，可能是产品参数不匹配，也有可能是焊接参数不匹配，还有可能是产品工装或夹具的平整性不足导致未接触。完整的焊接产品的焊痕应该未出现中断且有密集均匀的鱼鳞状焊点。漏焊或者焊点不均匀会导致产品气密性不足，直接报废。图3为漏焊产品图像。1.4 焊接打火焊接打火现象是指在焊接过程中，电极轮与盖板之间由于存在污迹、毛刺或者其他接触不良而导致的高阻放电现象。在所有焊接缺陷问题中，焊接打火造成的后果影响最严重，不仅会造成产品盖板出现坑洼导致产品报废，还可能引起电极轮表面损伤，导致后续产品出现接触不良引发打火现象。因此在生产过程中一旦发现焊接产品出现打火现象，需要立即更换电极轮。图4为焊接打火的产品图像。2 平行缝焊缺陷检测针对平行缝焊在生产过程中可能产生的质量问题，经过缝焊的产品通常要多次进行缺陷检测，通常顺序是：显微镜人为目检，再经过第一次氦质谱检漏仪压氦，然后是氟油粗检，最后经过第二次氦质谱检漏仪压氦。以上缺陷检测方式是平行缝焊工艺中最常用的。2.1 显微镜目检显微镜目检是平行缝焊产品检测最主要的检测方式，主要检测缝焊产品管壳盖板是否对齐，焊痕表面是否整洁光亮，并呈白色鱼鳞状。当观察到焊痕颜色灰暗甚至变色等情形时，说明焊接总能量过大或者平行缝焊机手套箱内环境气氛中的水、氧气含量偏高；而焊点表面的黄色亮点则是由于铜合金电极中的少量铜粘连在焊缝表面的缘故。对于大多数产品，显微镜目检主要检测缝焊产品外观，能筛查出大多数质量问题，是一种粗检方法。为后续气密性检测节省很多时间。但该检测方式也存在很多弊端，它无法检测缝焊产品气密性是否达标，并且检测方法比较耗时，人为参与度高，检测结果有一定主观性。为了节省人力资源，通常在批量生产中都是以抽检的方式进行，但对于军工航天类产品，每个产品都需要经过显微镜目检。2.2 氦质谱检漏压氦法检漏是将压有一定压力氦气的缝焊产品放入检漏仪，将其抽真空，氦气通过漏孔泄漏出来，经检漏仪检测总泄漏量。当漏率表显示的检测结果小于10-9 Pam3/s时，说明缝焊产品气密性满足条件。这种方法适合批量小产品检漏，当发现结果不达标时，采用排除法多次检漏以找到不合格产品。压氦法检漏是检测缝焊产品气密性的关键手段，但它也存在很多局限性：1）必须在完成缝焊规定时间内完成氦质谱检测，否则结果不准确；2）如果缝焊产品出现大漏，氦质谱检测结果并不准确，还需要经过氟油粗检；3）由于氦气是稀有气体，价格较高，为了节省氦气，很多客户并不是在缝焊手套箱混入一定比例氦气，而是通过压氦设备对缝焊第44卷第1期59 （4）标准差反映的是整个数据的离散程度，也就是数据的稳定程度。如果焊接期间发生异常，则焊接脉冲会发生相应波动，根据焊接数据计算得到的标准差会变大。通过了解上述焊接脉冲数据的含义，在实际焊接过程中可以反馈出焊接过程中出现的各种异常，为缺陷检测提供了可能性。3.2 试验对比本文分别对4个存在不同缺陷问题的同型号缝焊产品进行焊接数据分析，并与合格产品进行对比，从焊接曲线和数据表中分析结果。试验选用待焊产品是一个正方形产品，这样L1边和L2边焊接脉冲数量相同，焊接参数设置一致，每次焊接能量爬升阶段和下降阶段各设置4个脉冲。标准差计算仅统计稳定阶段、爬升和下降阶段的数据，不参与统计分析。合格产品的脉冲曲线如图5所示。图5 合格产品脉冲曲线脉冲序列/个电压/V电阻/m电流/k A功率/W从左到右是可以看出整个焊接过程。其中脉冲电流，脉冲电阻和脉冲功率走势基本一致属于双梯形波形，而脉冲电压与其相反，呈现倒双梯形波形。图5由左右两个梯形构成，第一个梯形是L1边焊接脉冲数据，第二个梯形是L2边焊接脉冲数据。每个梯形都是由90个脉冲组成，前4个脉冲是焊接能量爬升阶段，后4个脉冲是焊接能量下降阶段，中间82个脉冲是稳定焊接阶段。计算平均值和标准差是按照稳定焊接阶段计算。对四种缺陷产品的焊接曲线进行对比，对比结果如图6图9所示。根据焊接脉冲数据，计算焊接数据的标准差（见表1）。表1 各种情形产品焊接数据对比产品 脉冲数量/个 电流/k A 电压/V电阻/m 功率/k W合格1 8 00.0 00.0 10.0 50.0 1对位不准1 8 00.0 10.0 00.1 00.0 1焊接不牢固1 8 00.0 20.0 00.3 80.0 5漏焊9 00.0 00.0 00.0 70.0 1打火1 8 00.0 00.2 80.7 20.1 1完成的产品进行压氦处理，整个压氦过程会持续长达35 h，从而导致该检漏方法效率低下。2.3 氟油粗检浸入氟油检测气泡是一种粗检手段，主要是为了防止焊接产品出现大漏时，氦质谱检漏结果不准。工业上通常按照GJB548B-2005方法1014.2示踪气体氦（He）细检漏和氟碳（轻、重氟油）粗检漏进行检测。氟油粗检仅仅作为一种检大漏的补充手段，需要在氦质谱检漏前/后检测，需要通过人眼观察焊接产品表面是否有气泡冒出来判定是否有大漏，这种方法占用一定的人力成本，也增加了整个检测阶段的时间开销。3 焊接数据分析焊接效果是影响平行缝焊产品优劣的关键性指标，而常规判定焊接效果的方式都是人为外部通过显微镜观察缝焊产品的焊痕来判定，判定的结果存在一定的主观性和局限性。焊接数据是平行缝焊在焊接放电过程中实时反馈的真实数据，这些数据通常是以一种类似梯形曲线的方式显示在焊接电源的屏幕中。通过对焊接电源进行通信，将所得焊接数据进行存储和统计，就可以完成焊接数据分析。3.1 原理分析通常在焊接放电结束后，焊接设备的工控机以通讯方式从焊接电源读取上一次焊接过程的所有脉冲数据，得到的数据通常是以脉冲1电流、脉冲1电压、脉冲2电流、脉冲2电压、脉冲n电流、脉冲n电压的形式反馈回来。通过电阻和功率的计算公式可以得到：Rn=UnIn （1）Pn=UnIn （2）每个脉冲各个脉冲反馈的电阻和功率。反馈的脉冲电阻能反应出该点位置电极轮与盖板之间的接触情况，在发生打火现象时，一般会产生高电阻情况。而反馈功率则体现该点位置电极轮放电施加给盖板的能量大小。能量过大可能造成表面击穿，能量过小可能造成焊接不牢虚焊等问题。同时，获取整个焊接过程每个脉冲数据，每种缝焊产品在相同焊接参数情况下脉冲数量是一定的。脉冲数量异常也可以反映出焊接缺失或放电中断等情况。整合所有脉冲可以计算出每个脉冲的平均值I和标准差S：（3）王伟乾，等：基于焊接数据分析的平行缝焊缺陷检测方法2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology60图6 对位不准产品焊接曲线图7 焊接不牢固产品焊接曲线图8 漏焊产品焊接曲线图9 打火产品焊接曲线脉冲序列/个电压/V电阻/m电流/k A功率/W脉冲序列/个电压/V电阻/m电流/k A功率/W脉冲序列/个电压/V电阻/m电流/k A功率/W脉冲序列/个电压/V电阻/m电流/k A功率/W虚焊产品在L2边稳定焊接时的焊接功率曲线的梯形明显比L1边梯形低，这说明在焊接L2边时，其焊接能量不如焊接L1边大，正常合格产品L1边与L2边稳定焊接阶段的能量基本一致。而在表1中，对比合格产品，虚焊产品的电阻和功率的标准差都高，反应了整个焊接过程这两