Силовая электроника №2'2011

Знакомство с технологией шовно-роликовой герметизации

Иванов Александр

Кононыхин Дмитрий


В статье описаны основные физические принципы, положенные в основу производственного технологического процесса, называемого шовно-роликовой сваркой. Данный тип соединения относится к разновидности резистивной сварки, при этом в качестве электродов выступают ролики, а результатом сварочного процесса является герметичный шов. То есть, говоря о шовно-роликовой сварке, мы говорим о корпусировании, а именно — о герметизации корпусов электронных компонентов.

Общие принципы шовной роликовой сварки

Существующие сварочные процессы можно условно разделить на следующие типы:

  • Сплавление. Происходит разогрев материалов свариваемых деталей до температуры плавления и образования интерметаллического соединения.
  • Диффузия материалов. Материалы нагреваются до пластического состояния, и происходит их взаимная диффузия по соединяемой поверхности.
  • Холодная сварка. Процесс без интенсивного нагрева, но при приложении большого давления; процесс механического формирования контакта.
  • Пайка оплавлением. Процесс, при котором происходит разогрев третьего материала за счет температурных сопротивлений первых двух. Третий металл чаще всего входит в состав основных материалов и нагреваться должен выше +400 °С. По сути, происходит пайка двух частей с помощью третьего материала, выступающего в качестве припоя.

Последний из процессов обладает такими важными преимуществами, как прочность и гибкость паяных соединений. Такое соединение проще создать, к тому же пайка оплавлением хорошо подходит для соединения разнородных материалов, происходит при достаточно низких температурах за один цикл и наиболее экономична. Единственные требования здесь — отсутствие окислов на соединяемых поверхностях и их плотный контакт.

Процесс пайки оплавлением был выбран как наиболее оптимальный для реализации шовной роликовой сварки. Шовно-роликовое соединение используется для герметизации различного типа корпусов. Название само говорит о способе реализации: сварочный шов создается с помощью системы роликов. Рассмотрим более подробно механизм данной системы и ее работу. На рис. 1 изображен металлокерамический корпус с металлической крышкой в разрезе; ролики, являющиеся электродами, упираются в крышку, размещенную на корпусе.

 Типовая схема установки шовно-роликовой сварки

Рис. 1. Типовая схема установки шовно-роликовой сварки

Сборка перемещается в плоскости, перпендикулярной рисунку. Из общего объема мощности источника питания часть ее превращается в тепло внутри самого блока питания, часть — в проводниках, часть — в самой крышке, а еще часть — в месте контакта электродов и крышки, в котором происходит расплав. Ток, образованный с одной стороны источника питания, проходит через электрод, контакт между электродом и крышкой, саму крышку, контакт со вторым электродом, другой электрод и, наконец, уходит обратно в блок питания. Часть тока, попадающего в крышку от электрода, переходит на деталь, а затем обратно к крышке на противоположном краю, и не проходит через центр крышки. При правильном выборе проводников и блока питания местами максимального сопротивления цепи являются точки соприкосновения между электродами и крышкой, что особенно справедливо, если кромка электродов достаточно острая.

Процесс разогрева в месте контакта основан на производных от закона Ома V = I × R. В соответствии с данным законом ток во всей цепи должен быть одинаковым при одинаковом напряжении. Параметр сопротивления, таким образом, является величиной, определяющей ток на каждом участке цепи и затраты источника энергии на преодоление этого сопротивления, выливающиеся в нагрев проводника. Затрачиваемая энергия в общем случае определяется как P = I × V, а энергия, идущая на разогрев проводника, — P = I2 × R, где V — напряжение источника питания, I — ток в цепи, R — сопротивление, P — мощность. Из последней формулы можно определить, что сильнее будет разогреваться проводник с наибольшим сопротивлением и разогрев будет пропорционален квадрату протекающего через данный проводник тока.

В первом приближении можно считать пренебрежимо малыми сопротивления источника питания и проводов (обычно проводники и электроды изготавливаются из материалов высокой проводимости, а значит низкого сопротивления), а максимальным — сопротивление свариваемых деталей. Здесь тоже необходимо разделить сопротивления свариваемых деталей на объемное и контактное. Объемное — это сопротивление металла крышки и корпуса. Контактное — сопротивления контакта электродов–крышки, крышки–корпуса. Они определяют количество теплоты, генерируемой в этих областях.

Рис. 2 показывает, что плохой контакт электрод–крышка и крышка–корпус приведет к сильному разогреву именно в этих местах. Сварка осуществляется за счет нагрева элементов электрическим током, проходящим через них в течение определенного времени. Температура сварки зависит от сварочного тока, электрического сопротивления заготовок, контактного сопротивления между ними и усилия их сжатия. Для удержания расплавленного металла в ограниченном объеме к свариваемым деталям необходимо приложить достаточное усилие. Однако с увеличением усилия сжатия уменьшается контактное сопротивление. Для сварки заготовок с малым контактным сопротивлением необходимо увеличивать ток, напряжение и мощность сварки. Чем выше сварочное усилие, тем больше для выполнения одной и той же сварки должны быть сварочный ток, напряжение, мощность или время сварки. Количество теплоты, выделяемое во время сварки, вычисляется по формуле Q = I2RT, или произведение квадрата тока сварки (I), сопротивления заготовок (R) и продолжительности процесса (T). Поэтому во время шовно-роликовой сварки для исключения нагрева за счет контактного сопротивления необходимо обеспечивать плотный контакт роликов с крышкой.

 Влияние контактного сопротивления

Рис. 2. Влияние контактного сопротивления

Источником питания в шовной роликовой сварке служит высокочастотный блок питания, выдающий сварочные импульсы задаваемой длительности и мощности, например импульсный блок HF 25, им оснащены системы шовной роликовой сварки SM8500 и AF8500 фирмы Miyachi Unitek. В данных системах происходит перемещение сборки при неподвижных электродах таким образом, что электроды перемещаются по краю сборки, выдавая с определенной последовательностью сварочные импульсы, образующие сварочный шов.

Как видно на рис. 3, сварной шов создается серией импульсов определенной мощности и частоты следования. Мощность импульса определяет диаметр сварной точки, а частота следования импульсов — степень перекрытия сварных точек и, следовательно, интенсивность нагрева и распределение теплового фронта разогрева металла при перемещении сборки. Именно эти два параметра будут влиять на качества шва, а значит, и на качество сварного соединения и степень герметичности прибора.

 Создание сварочного шва

Рис. 3. Создание сварочного шва

Требования, предъявляемые к геометрии и материалу корпусов и крышек герметизируемых изделий

  • Минимальная высота монтажного кольца (ободка основания) или расстояние между плоскостью, где происходит сварка, и нижележащей плоскостью основания корпуса или выводов должна составлять 0,5 мм (рис. 4а). Иначе может произойти касание электродами не только места сварки, но и поверхности корпуса. При потере электродами контакта возможны искрения и прожиги крышки.
  • Внешние габариты крышки не должны превышать внешние габариты монтажного кольца (ободка основания) корпуса (рис. 4б, в). Рекомендуется использовать крышки, у которых внешние габариты меньше соответствующих размеров монтажного кольца на 0,2 мм (0,008”), однако крышки с габаритными размерами, равными размерам монтажного кольца, также могут привариваться удовлетворительно.
  • Внутренние габаритные размеры ступенькообразной крышки (рис. 4б, в) должны быть меньше соответствующих размеров монтажного кольца (ободка основания) минимум на 0,2 мм (0,008"). Однако при проектировании необходимо учесть допуски на размеры кольца и крышки, радиус вытрава ступеньки (рис. 4г), а для автоматической раскладки крышек — еще и допуск на точность механического перемещения крышки на кольцо.
  • Радиус скругления углов крышки должен быть равным радиусу скругления углов монтажного кольца (ободка основания), при этом составлять как минимум 0,5 мм и не превышать 1,5 мм. Для ступенькообразной крышки внутренний радиус скругления должен быть больше внутреннего радиуса скругления монтажного кольца на 0,4 мм (рис. 4б, в).
  • Толщина края крышки для сварки должна составлять 0,1±0,03 мм (0,004±0,001").

Стандартными материалами крышки и уплотнительного кольца являются:

  • ковар (53%Fe, 29%Ni, 17%Co, 0,3%Mn, 0,2%Si, 0,02%C) — температура плавления +1450 °C;
  • фени 42 (58%Fe, 41%Ni, 0,4%Mn, 0,2%Si, 0,05%C (max)) — температура плавления +1427 °C;
  • никель — температура плавления +1454 °C;
  • сталь.
 Схемы корпусов и крышек герметизируемых изделий

Рис. 4. Схемы корпусов и крышек герметизируемых изделий

Основным материалом все же выбирается ковар — из-за близкого значения его коэффициента температурного расширения (КТР = 6,2) с керамикой (КТР = 6,8 при температуре +25…+400 °С) и стеклом (КТР = 6,3–7 при температуре +25…+400 °С).

Вне зависимости от того, какой материал является основным для реализации шовно-роликовой сварки, рекомендуется использовать крышки и уплотнительные кольца с предварительным плакированием одним из следующих материалов:

  • никель (слой 3 мкм);
  • золото (1 мкм).

Основным материалом для плакирования является никель. При этом различают никель, нанесенный электролитическим методом, и химический. На рис. 5 приведены температуры плавления различных материалов. Видно, что химический никель имеет более низкую температуру плавления, нежели электролитический, из-за включений фосфора. Однако включение в никель фосфора приводит к коррозионному растрескиванию материала под действием напряжения.

 Температуры плавления различных материалов

Рис. 5. Температуры плавления различных материалов

Подбор электродов для шовно-роликовой сварки

Корректно подобранные электроды позволяют оптимизировать параметры сварочного процесса. При подборе электрода основными являются максимальный диаметр ролика и угол наклона (рис. 6).

 Расположение электродов-роликов на герметизируемом корпусе

Рис. 6. Расположение электродов-роликов на герметизируемом корпусе

Максимальный диаметр ролика подбирается, исходя из минимального размера герметизируемого корпуса. Из-за постоянного контакта с герметизируемой поверхностью со временем рабочая поверхность ролика вырождается и стачивается, поэтому данный параметр подбирается так, чтобы добиться однородности эрозии рабочей поверхности ролика и продлить тем самым срок его службы. Максимальный диаметр ролика должен быть таким, чтобы длина его окружности была соизмерима с минимальным размером корпуса. Углы наклона влияют на концентрацию тепла и распространение теплового фронта.

При острых углах электродов (до 45°) будет происходить концентрация тепла на краю сборки, а при малых углах тепло будет распределяться более равномерно по всей крышке, и для создания сварного шва потребуются большие мощности. Причин тому несколько:

  • Малые углы означают большую площадь контакта, которая при той же силе, приложенной к электроду, приводит к более низкому давлению. В результате будет достигнута бóльшая температура для одних материалов и меньшая для других, что приведет к необходимости использования различных температур и, следовательно, различных энергий.
  • Большая площадь также увеличивает размер ванны расплава металла, что требует дополнительной энергии.
  • Чем больше площадь пятна контакта, тем меньше доля общей подведенной энергии от источника питания переходит в тепло в нужном месте.

Для создания очень широкого шва типовые значения угла начинаются от 7° (при этом конечная температура сборки не имеет решающего значения) до 45°, когда необходим обратный процесс. Обычно для большинства применений подходит угол 12° (рис. 7).

 Типовое значение угла ролика составляет 12°

Рис. 7. Типовое значение угла ролика составляет 12°

Подбор параметров сварочного процесса

Рассмотрим основные параметры шовно-роликовой сварки.

  • Мощность сварки может изменяться в диапазоне (справедливо для установок фирмы Miyachi) 50–2500 А; 0,1–99 мс с шагом в 0,1 мс. На рис. 8 отображено меню профиля сварочного импульса. Во время перемещения роликов блок питания выдает на электроды сварочные импульсы определенной амплитуды и длительности. Эти импульсы подаются с определенной частотой, устанавливаемой параметром Spot Spacing (расстояние между точками сварки). Таким образом, мы можем регулировать степень перекрытия сварочных импульсов, распространение теплового фронта и качество сварки.
     Меню «профиль сварки», возможно задание двух импульсов

    Рис. 8. Меню «профиль сварки», возможно задание двух импульсов
  • Скорость сварки может изменяться (для установок фирмы Miyachi) в диапазоне 2,5–38 мм/с (0,1–1,5 дюйма в секунду). Данное значение определяет, насколько быстро перемещаются электроды относительно свариваемой поверхности во время сварки. Если после герметизации заметны цвета побежалости на крышке, значит, корпус перегревался в момент сварки и необходимо уменьшить именно рассматриваемый параметр. Необходимо помнить, что распространение теплового фронта зависит в совокупности от скорости сварки и расстояния между сварными точками. На рис. 9 показано распределение импульсов (задается параметром расстояния между сварными точками). Электрод неподвижен, корпус движется с заданным параметром скорости сварки, происходит распространение теплового фронта, расплавление никеля на крышке и сплавление ее с корпусом.
     Распространение теплового фронта и распределение сварочных импульсов

    Рис. 9. Распространение теплового фронта и распределение сварочных импульсов
  • Усилие сварки, диапазон изменения которой для установок фирмы Miyachi составляет 250–5000 г. Данное значение указывает на давление в граммах, которое будет оказываться электродом на свариваемую поверхность. Обычно для используемых в производстве маленьких кварцевых осцилляторов керамических корпусов задается давление в 1400 г. Усилие сварки подбирается таким образом, чтобы исключить паразитное контактное сопротивление электрод–крышка и вариативность контактного сопротивления крышка–корпус, т. е. поддерживать его стабильное значение.

Именно эти три параметра являются основополагающими при шовно-роликовой сварке.

Применение шовно-роликовой сварки

Основная область применения шовно-роликовой сварки — герметизация различных типов металлических и металлокерамических корпусов микросхем (рис. 10–11). Преимуществами подобного метода являются его простота и дешевизна, так как не требуется применение специальных материалов. К тому же системы шовно-роликовой сварки отличаются компактностью и высокой степенью универсальности, что позволяет использовать их для герметизации корпусов различных типоразмеров (рис. 12). При этом возможна интеграция данных систем в атмосферные камеры различной направленности — от поддержания необходимого уровня вакуума до контроля параметров влажности и определенного состава атмосферы.

Примеры корпусов, герметизируемых установкой шовно-роликовой сварки

Рис. 10. Примеры корпусов, герметизируемых установкой шовно-роликовой сварки


Групповая и одиночная шовно-роликовая сварка

Рис. 11. Групповая и одиночная шовно-роликовая сварка


Различные типы роликов

Рис. 12. Различные типы роликов, применяемых в шовно-роликовой сварке

Система шовно-роликовой сварки, интегрированная в атмосферную камеру, идеально подходит для герметизации микросхем специального применения высокой надежности (космос, авиация, мореплавание и т. д.), так как обеспечивает высокую герметичность изделия и обеспечивает заданную атмосферу внутри микросборки. Герметичность изделия при строгом контроле внутренней атмосферы также важна для оптоэлектронных приборов: лазерных диодов, акустооптических модуляторов и др. Герметичность изделия при контроле влажности среды актуальна для всех микросхем, так как продлевает срок их службы и уменьшает вероятность выхода из строя из-за замыкания внутренних контактов.

В таблице и на рис. 13 представлены системы шовно-роликовой сварки и атмосферные камеры для них от компании Miyachi Unitek.

Таблица 1. Системы шовно-роликовой сварки

Тип AF8500 Системы монтажа, прихватки и шовной роликовой сварки групповой обработки SM8500 Система параллельной шовной роликовой сварки одиночной обработки
Внешний вид
Размер деталей, мм 3–203
Точность позиционирования, мм ±0,050
Усилие сварки (регулируется) Стандарт: 500–5000 г; опция Low Force: 200–500 г
Линейная скорость сварки, мм/с макс. 38
Возможность герметизации круглых корпусов Нет Да
Сжатый воздух, бар минимум 4,137
Вакуумный инструмент для размещения крышек на корпусе 950 мбар (опциональный диффузионный насос) Нет
Калибровка В соответствии со стандартами NIST
Ток выхода блока питания HF25, А 50–2400±2
Ширина импульса HF25, мс 0,3–2000
Ток на входе блока питания HF25 192–264 В (номинально 240 В), 3 фазы, 50/60 Гц, 25 А; 320–440 В (номинально 400 В), 3 фазы, 50/60 Гц, 20 А
Видеосистема (опция) SVGA камера высокого разрешения Cognex (1280×1024)
для автоматического совмещения крышек с корпусом
Система для визуального совмещения крышки с корпусом


Атмосферные камеры MX2000  и Alpha

Рис. 13. Атмосферные камеры MX2000 и Alpha

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_2_90.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо