储能焊机的工作原理及应用

储能焊机的工作原理及应用

任爱华,王亚平

(西安微电子技术研究所，陕西 西安 710054)

摘 要：主要介绍储能焊机在微电子封装领域的应用、工艺控制及解决措施。     关键词：封装；储能焊；电容器；应用

1 引言

随着电子装备的日益小型化和多功能化，用户对混合集成电路的可靠性要求越来越高，如果没有良好的、可靠的封装来保护混合集成电路的各种元器件，混合集成电路就要受到外界环境的影响，甚至造成电路的完全失效。集成电路封装就是将一个或多个有一定功能的集成电路芯片放置在一个与之相适应的外壳容器中，为芯片提供稳定可靠的工作环境。储能焊作为混合集成电路封装的主要形式，适用于中小腔体、高可靠混合集成电路的气密封封装。下面就储能焊机的工作原理、工艺控制及解决措施进行讨论。

2 储能焊机的工作原理

把金属管帽、管座分别置于相应规格的上、下焊接模具中并施加一定的焊接压力，利用储能电容器在较长时间里储积的电能，而在焊接的一瞬间将能量释放出来的特点来获得极大的焊接电流，接触电阻将电能转换成热能而实现焊接过程。焊接电流和焊接压力的关系如图1所示。

图2表示有焊接变压器的电容器储能焊工作原理。当把开关S打到S1，电容器Cp充电，Cp达到所需电压后，S再与S2点接触，电容器Cp通过焊接变压器T2的一次绕组放电。电阻器R1是控制充电电流和充电时间的。由于焊接回路的电阻很小，因此，电流很大，产生的瞬时热量多，便于焊接。

3 储能焊机的特点

储能焊机采用晶体管元件进行程序控制。充放电开关均用可控硅代替笨重的交流接触器和引燃管。作为无触点大电流开关的可控硅具有体积小、无噪音、使用方便等特点。特别是它的压降只有引燃管的1/10，使电力可以得到有效的利用。随着储能电解电容器的发展，储能式焊机的储能量可以达到很大，体积却很小，充电电压由电子开关精确控制且连续可调，并由电压表监视。线路附有过压保护装置，防止击穿储能式电容器。

由于电容器储能焊机的充电电流远小于放电电流，因此，它对电网的冲击很小，对电源功率的要求也不高。另外，由于它的放电时间极短，在电源电压波动的情况下也能保证焊机性能的稳定。它的放电范围不存在交流电路中电流反向时出现的冷却间歇，因此，较适合于焊接导电性和导热性良好的轻金属，如低碳钢、可伐合金、不锈钢、镍铬丝和其他导电、导热性好的金属。

3.1 电容器储能焊的能量

电容器的能量是用直流电源充入的，如果电容器储存的能量用EK表示，电容用Cp表示，那么EK可由(1)式求出：

电容器存储能量的大小与Cp成正比，与充电电压Uc的平方成正比，欲改变EK，可以调节Cp或Uc。为了增加电容器储存能量，提高充电电压比提高容量更为有效。给电容器充电需用直流电，需设计整流线路，如图3所示，若直流电源输出端的能量为EC，则EC可用式(2)求出：

式中，ij是充电电流瞬时值；

Rl是充电回路电阻；

t是充电时间。

由式(2)、(3)可得：

因而，消耗在回路电阻器上的能量ER可由式(5)求出：

显然，充电电源能量的另一半用于建立电场的能量，即式(1)中的EK。

根据二次电路的放电形式，电容器储能焊机可分为两种：一种是直接放电，即无焊接变压器电容器储能焊机；另一种是间接放电，即有焊接变压器电容器储能焊机。

无焊接变压器的电容器储能焊机具有设备简单和能量利用率高的优点。缺点是工作电压太高，不安全，并且有巨响，有飞溅金属，影响它在生产中的推广使用。

有焊接变压器电容器储能焊机的电容器放电，是在焊接变压器的一次线圈中进行的，焊件通过二次侧电流加热。它的特点是低电压、大电流、噪声小、操作安全、焊接质量稳定可靠、用途比较广泛。下面着重讨论有焊接变压器的电容器储能焊。

3.2 电容器充电

充电时，当时间t=0时，电容器的充电电压UC=0，此时，电流i0完全取决于电压U0和充电回路中的电阻R1。此时，

随后，充电电流和电压将按图(4)的曲线变化，式(3)可变换为式(7)：

式(7)中，τ=R1Cp是时间常数。τ愈大，Uc上升愈慢，τ愈小，UC上升愈快。充电时间一般取3τ－5τ，充电过程即已结束。充电时间和长短的外加电压U0的大小无关。

电容器的充电电压一般由电压继电器控制，为了加速充电过程，整流电压一般要超过充电最高电压30％～50％，实际上，电容器的充电电压可以达到整流电压的幅值。

3.3 电容器放电

图5是电容器储能焊机的等值电路图，其中，图(a)是详细电路，图(b)是简化的电路。

充电后，S闭合，放电。放电时间的长短及放电电流曲线的形状由焊机和电容器的电参数决

定。根据等值电路可以写出下面的微分方程式。

解微分方程式，可得：

6(b)所示。

从以上分析可知，当焊机选定时，L、C不变，增大R值可使放电由周期性转变为非周期性。但是，不管是周期性放电或是非周期性放电形式，用于焊接加热的电流只有一个半波是有效的。当振荡放电时，其振幅衰减得很厉害，第二个半波振幅只有第一个半波振幅的3.5％左右。此时，焊接已经完成，焊件的电阻已很小，所以，第一个半波以后的脉冲影响很小。振荡一般延续3个～5个半波即消失。

振荡周期性放电的焊接具有以下优点：减少焊接终了时在电极间产生火化的现象；利于变压器的退磁；部分能量可以重新储存在电容器内，在下一个循环中使用。

3.4 热过程

热过程主要包括两个阶段，即加热阶段和冷却阶段，前者应保证焊件与焊件接触处的金属被加热到熔化状态以形成熔化核心；后者应保证熔化的金属凝固并促进焊接区温度迅速降低。     焊接时产生的热量应满足如下平衡方程：

式中：I是焊接电流(A)；

R是焊接区总电阻(Ω)；

t是焊接电流脉冲时间(s)；

Q1是两极间被焊金属加热到焊接温度所需要的热量；

Q2是焊件与电极中的热量损失。

4 结束语

综上所述，正是由于储能焊机具有能量大、体积小、对电网的冲击小、焊接效率高、质量可靠等特点，使其在混合集成电路生产中广泛应用。本文仅是作者在储能焊机应用方面的一些体会，仅供参考。

来源：电子元器件应用