封帽焊接的工艺参数及其影响
北京科信机电技术研究所有限公司
前言：封帽，是将金属管帽和金属管座焊接在一起，完成金属元器件最后的封装。在金属元器件生产过程中，封帽是一个非常重要的工艺，其封装的质量很大程度上影响着金属元器件的应用性能。因此，金属封装领域需要精密的电子元件封帽设备。
1 封帽设备的工作原理
封帽设备采用电阻焊技术，将金属管帽套在金属管座上，并压紧在封帽结构的两个电极之间，在一定电极压力的作用下，瞬间高频率脉冲放电，使金属管座和金属管帽之间的接触表面的焊线熔化，从而使金属管帽和金属管座连接在一起。电阻焊操作简单，容易实现机械化和自动化，在元器件焊接过程中，不需要额外填充金属焊料，生产率高，焊件变形小，是一种安全、可靠、环保型的焊接技术。
北京科信机电技术研究所有限公司（简称科信所），专业研发金属封装设备30多年，为半导体、微电子、光通信、传感器等行业，提供了大量优质耐用的金属元器件精密封装的封帽设备。科信所研制的封帽设备，其精密储能电阻焊采用的储能能量从700J到9000J，可焊接TO-18、TO-38、TO-46、TO-10等圆形封装尺寸的TO元器件，以及BOX元器件、无源晶振器件等。设备满足金属元器件对低氧、低水汽、高环境、高真空等的封装要求，其封焊的元器件的漏率均符合国军标，保证了焊接过程的动态反应敏捷、高稳定性、高可靠性等要求。
例如，根据用户和市场需求，科信所生产了如图1所示的FHJ-4型封帽机。该设备适用于小尺寸TO元器件的封装，可满足光通信行业对TO-18、TO-25等小尺寸电子元器件的封焊需求。
图1 FHJ-4型封帽机
图2为FHJ-4型封帽机的机头部位，将金属管帽套在下电极内的金属管座上，利用空气压缩系统和氮气系统，通过气缸对上电极施加压力，当上下两个电极压紧后，瞬间高频率脉冲放电。此时，焊接电源、两个电极和焊件之间形成完整的电流回路，使得金属管座上的焊线融化，与金属管帽之间产生大量的焊点，从而实现小尺寸的TO元器件的封帽。如图3所示为FHJ-4封帽机采用电阻焊完成的TO样件。
图2 封帽结构
图3 FHJ-4封帽机采用电阻焊完成的TO样件
2 工艺参数对封帽质量的影响
电阻焊焊接过程中产生的放电热量由以下公式决定：
Q=I2Rt （1）
其中，Q为放电热量（单位：J），I为焊接电流（单位：A），R为接触电阻（单位：Ω），t为放电时间（单位：s）。
因此，影响封帽焊接质量的主要有3个重要的工艺参数，分别是焊接瞬间提供的焊接电流、接触电阻及放电时间。
2.1 接触电阻对封帽质量的影响
上述公式（1）中的接触电阻，包括焊件（即金属管帽和金属管座）本身电阻、两焊件间的接触电阻以及电极与焊件间的接触电阻。电阻焊焊件材料的形状及尺寸大小、电极的材料及形状等都会影响到接触电阻的阻值，进而影响焊接质量。
在电阻焊过程中，因为气缸会对电极施加压力，上下两电极会压紧，进而通过电极在焊件上施加一定的压力（即电极压力）。因此，电极压力对接触电阻有显著影响。电极压力过小时，接触电阻增大，电流密度过大，加热速度过快，从而产生喷溅；当电极压力过大时，焊接区域接触面积增加，接触电阻减小，产生的电阻热减少，将会造成未融合、脱焊等缺陷。因此，电极压力的大小影响着接触电阻，而接触电阻又关系着电阻热的大小，也就是说，电极压力影响着放电热量。
2.2 放电时间对封帽质量的影响
在焊接电流与电极压力一定的情况下，该领域的技术人员，可根据经验设置多组不同的放电时间，分别焊接多个焊件。通过显微镜观察焊接结果，不难发现，放电时间过小时，产生的热量也少，甚至都不足以融化焊件上的焊线，导致焊接不充分，影响焊件的气密性；放电时间过长时，产生的热量过高，焊料融化溢出严重，甚至有火花飞溅，影响产品的外观和应用性能。
2.3 焊接电流对封帽质量的影响
电阻焊，是利用焊接电流通过焊件及接触处产生的电阻热作为热源，将焊件的接触处熔化形成熔核，使之形成金属结合的一种方法。因此，焊接电流是影响焊接质量的主要因素，它比接触电阻和放电时间两者对放电热量的影响都大。
焊接电流的大小与放电热量之间呈正相关关系，随着焊接电流的增大，焊接产生的热量也会增大，当焊接电流过大，高于上限值时，因热量损失严重，易产生焊料融化溢出，存在火花飞溅或熔透；当焊接电流过小，低于下限值时，产生的热量不足，也会导致焊接不充分，影响焊接的气密性。因此，在点焊过程中，焊接电流是一个必须严格控制的参数。
需要说明的是，封帽过程中的焊接电流的上下限值并非一成不变，焊接电流会随着其他工艺参数的变化而变化。例如，当电极压力增大后，焊接电流上限值也会增大，此时就需要技术人员适应调整焊接参数。科信所生产的封帽设备具有宽泛的调节范围，能够满足不同材料和不同尺寸焊件的焊接需求。
3 结论
结合大量实验数据，通过工艺试样、破坏性实验，能够得出：焊接电流、放电时间及电极压力对封帽焊接的放电热量都有影响，焊接电流、放电时间和电极压力过小或多大都会影响焊接产品的质量和性能。
此外，影响封帽焊接质量的不仅仅是上述提到的工艺参数，还有焊接环境的设定。比如氮气环境或真空环境。以氮气环境为例，由于氮气环境中氧气含量低，可以有效减少氧化产物的生成，从而提高焊点的润湿性和附着力，也是焊接质量的保证。
