李遠(yuǎn)波，崔志遠(yuǎn)，郭松名

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

微連接技術(shù)在集成電路封裝、電子元器件制造、微機(jī)電系統(tǒng)制造、醫(yī)療器械制造、儀器儀表制造、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、電子元器件和生物醫(yī)療器件等不斷向小型化、復(fù)雜化、多功能化和高可靠性方向發(fā)展，對(duì)連接件性能的要求越來(lái)越苛刻，各種材料的微細(xì)線材和箔片材料被廣泛應(yīng)用。微細(xì)線材的微連接技術(shù)主要包括釬焊、激光軟釬焊、引線鍵合和微型電阻焊等連接方法[1—2]，其中微型電阻焊方法（Resistance micro-welding,RMW）具有設(shè)備成本低、焊接接頭可靠性高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子和醫(yī)療器件的制造。

微型電阻焊是指焊件尺寸（板厚或線徑）小于0.2～0.5 mm的焊接，但它與常規(guī)電阻焊簡(jiǎn)單減小焊件尺寸不同，兩者在應(yīng)用領(lǐng)域、焊件材料、工藝參數(shù)范圍、連接機(jī)理等方面均有很大差別[3—4]，微型電阻焊對(duì)溫度變化更加敏感，從而國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域做了大量的研究。中國(guó)是全球電子產(chǎn)品最大的生產(chǎn)國(guó)，以我國(guó)電子信息制造業(yè)中心粵港澳大灣區(qū)為例，微細(xì)線材微連接應(yīng)用非常廣泛，微型線材的焊接質(zhì)量非常關(guān)鍵，直接關(guān)系到器件及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，文中主要從微細(xì)線材微型電阻焊工藝、連接機(jī)理、仿真模擬、相關(guān)應(yīng)用等方面對(duì)近些年研究狀況進(jìn)行總結(jié)及展望。

1 微型電阻焊工藝及連接機(jī)理

1.1 微型電阻點(diǎn)焊

微型電阻焊基本原理與常規(guī)電阻焊類似[3,5]，都是利用電流通過(guò)金屬焊件的接觸面產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行連接。以微細(xì)線材微連接采用的微型電阻點(diǎn)焊工藝為例，如圖1所示，兩個(gè)電極將焊接工件壓在一起，電流通過(guò)工件時(shí)，利用工件與工件、電極與工件之間的接觸電阻和自身的體電阻產(chǎn)生電阻熱，將兩個(gè)工件局部熔化，生成熔核并連接在一起[6]?，F(xiàn)在關(guān)于微細(xì)線材微型電阻焊工藝主要有微型電阻點(diǎn)焊[7—15]、平行間隙焊[16—20]、微型電阻熱壓點(diǎn)焊[21]。此外，微型電阻焊焊接接頭的連接機(jī)理是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，已有的連接機(jī)理主要有固相連接、釬焊連接、熔化焊連接及組合方式。由于被焊工件尺寸小、熱慣性小，對(duì)電參數(shù)和力參數(shù)的控制精度要求很高，焊接時(shí)間也會(huì)較短，一般為幾毫秒至幾十毫秒。微型電阻焊電源一般采用電容儲(chǔ)能式焊接電源、高頻逆變式電源、DC斬波電源或者線性電源[5]。加壓機(jī)構(gòu)一般采用彈簧式壓力追從、伺服加壓等方式，伺服加壓機(jī)構(gòu)能很精確地控制壓力的大小以及電極的位置，實(shí)現(xiàn)不同的進(jìn)給速度從而達(dá)到電極對(duì)工件的軟接觸，大大降低電極對(duì)微細(xì)線材焊接時(shí)的沖擊，降低了電極的損壞率而提高了焊接質(zhì)量。

圖1 微型電阻焊原理示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of resistance microwelding

Fukumoto對(duì)直徑為0.4 mm的微細(xì)交叉鎳線進(jìn)行微型電阻點(diǎn)焊，提出接頭拉斷力（JBF）和線材壓線率（Set-down）兩個(gè)指標(biāo)，研究了焊接電流、焊接時(shí)間和電極力對(duì)焊接質(zhì)量的影響，接頭搭接如圖2a所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始時(shí)拉斷力隨著焊接電流的增加而增加，但電流超過(guò)一定值后拉斷力反而會(huì)降低，如圖2b所示，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)（Heat affect zone, HAZ）發(fā)生重結(jié)晶導(dǎo)致材料軟化。還提出了在電極力達(dá)到其設(shè)定值之前就開(kāi)始通電焊接的思路，以此來(lái)優(yōu)化工藝，這樣可以使初始接觸電阻與焊接力之間達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶猓@樣既能產(chǎn)生足夠的熱量，又可以產(chǎn)生較大的塑性變形，擠出熔融金屬來(lái)擴(kuò)大結(jié)合面積，從而提高焊接強(qiáng)度，如圖2c所示[7]。Fukumoto又對(duì)鍍金鎳絲、鍍金鎳片和裸鎳絲進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線表面為Au鍍層時(shí)，對(duì)提高接頭斷裂力有很大的作用[8]。

圖2 交叉鎳線的微型電阻點(diǎn)焊[7]Fig.2 Resistance spot microwelding of crossed nickel wire

Fukumoto等[7]還發(fā)現(xiàn)交叉鎳絲微細(xì)線的微型電阻焊過(guò)程中有液相熔融金屬被擠出，最終階段為固相連接，各階段如圖3所示。KHAN等對(duì)316LVM不銹鋼線進(jìn)行微型電阻點(diǎn)焊，發(fā)現(xiàn)首先線材表面發(fā)生熔化，然后熔融金屬被從界面兩側(cè)擠出，最后形成熔化焊接頭，其中材料電阻率的增加和焊接力的降低促進(jìn)了熔化焊的趨勢(shì)[9]。由此可見(jiàn)，材料的物理特性對(duì)接頭連接機(jī)理產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于異種材料，材料物理特性差異較大，系統(tǒng)加熱不平衡會(huì)使焊接過(guò)程更復(fù)雜，如Pt線與較厚的316不銹鋼（3 mm厚）連接時(shí)，焊接熱量低輸入時(shí)為固相連接，高輸入熱量則變?yōu)槿刍高B接[10]，如圖4所示。

圖3 交叉鎳細(xì)線電阻微焊的主要階段[7]Fig.3 Main stages in resistance microwelding of crossed fine nickel wires

Mo等將微細(xì)絕緣銅線與磷青銅薄片進(jìn)行微型電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，引入預(yù)熱階段來(lái)去除絕緣漆層。結(jié)果表明，隨著焊接電流的增加，接頭拉斷力先增大后減小，另外在接合面沒(méi)有形成焊接熔核，整個(gè)工藝階段依次為線材變形、絕緣層熔化和移位以及固態(tài)鍵合，如圖5所示[15]。

1.2 平行間隙焊

平行間隙焊是微型電阻焊的一種，它類似于單面精密點(diǎn)焊，但只生成一個(gè)熔核。An等利用平行間隙電阻焊實(shí)現(xiàn)了帶金鍍層的銀線和鍺太陽(yáng)能電池電極銀基底之間的連接，研究了焊接參數(shù)對(duì)接頭性能的影響，進(jìn)行了焊接工藝的優(yōu)化和可靠性評(píng)估[16]。Zhang等使用平行間隙焊方法實(shí)現(xiàn)了可靠的銅線和金鍍層的連接，焊接示意圖如圖6所示。該工藝的電極尖端是歐姆接觸，電流導(dǎo)通時(shí)電極尖端產(chǎn)生焦耳熱，在壓力共同作用下實(shí)現(xiàn)連接[17]。

圖4 接頭SEM圖像[10]Fig.4 SEM images of joints

王晨曦等將鍍銀的銅引線分別與 PCB板上的裸銅焊盤(pán)及鍍錫銅焊盤(pán)進(jìn)行平行間隙焊，并研究了接頭特性。通過(guò)比較兩種接頭的焊點(diǎn)形態(tài)、斷口形貌及界面區(qū)元素組成，發(fā)現(xiàn)由于Sn的局部熔化產(chǎn)生了毛細(xì)現(xiàn)象，造成焊接溫度場(chǎng)不均勻，從而導(dǎo)致了引線周圍裂紋的產(chǎn)生，對(duì)接頭的強(qiáng)度影響很大，裂紋如圖7所示[18]。

1.3 微型電阻熱壓點(diǎn)焊

微型電阻熱壓點(diǎn)焊可以實(shí)現(xiàn)絕緣微細(xì)銅線（電磁線）的微連接，它也是微型電阻焊的一種，采用的焊接設(shè)備及加壓機(jī)構(gòu)與平行間隙電阻焊類似，但電極區(qū)別較大。傳統(tǒng)絕緣銅線電阻熱壓焊主要形式為有掛鉤型熱壓焊，如圖8所示[22]。Liu等也使用平行間隙焊電阻焊來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣銅線和金鍍層的互聯(lián)，但絕緣銅線要先除漆[20]。廣東工業(yè)大學(xué)的郭松名等利用微型電阻熱壓點(diǎn)焊工藝成功實(shí)現(xiàn)0.1 mm的絕緣銅線與磷青銅箔的焊接，焊接示意圖如圖9所示，該方法在電極內(nèi)部構(gòu)成回路，電流流過(guò)電極尖端時(shí)產(chǎn)生電阻熱，并在壓力配合下形成良好的連接[21]。

Liu等[20]中的Cu線與鍍金層的平行間隙焊中，即使在過(guò)熱狀態(tài)下也沒(méi)有熔核，因此該工藝對(duì)Cu/Ag的連接機(jī)理為固態(tài)連接，如圖10所示。郭松名等[21]中絕緣銅線與磷青銅箔的微型電阻熱壓點(diǎn)焊同樣沒(méi)有產(chǎn)生熔核，也是固相連接，如圖11所示。

綜上所述，因?yàn)楦鞣N微細(xì)線材材料、焊件鍍層材料具有多樣性，微型電阻焊的形成機(jī)理比較復(fù)雜，尤其對(duì)于異種材料來(lái)說(shuō)，而連接機(jī)理的研究影響微型電阻焊的進(jìn)一步應(yīng)用，微型電阻焊的連接機(jī)理還需進(jìn)行系統(tǒng)的研究并總結(jié)規(guī)律，才能制定合適的工藝參數(shù)窗口來(lái)獲得高性能的接頭。

圖5 絕緣銅線的微型電阻焊[15]Fig.5 Resistance microwelding of insulated copper wire

圖6 平行間隙焊示意圖[17]Fig.6 Schematic diagram of parallel gap welding

2 微型電阻焊的仿真模擬

由于焊接方法的復(fù)雜性以及大量工藝參數(shù)之間的物理關(guān)系，往往嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)，因此需要在焊接工藝開(kāi)發(fā)中使用統(tǒng)計(jì)方法建立數(shù)學(xué)模型，其中電阻焊過(guò)程涉及電、熱和機(jī)械相互作用，使整個(gè)焊接過(guò)程高度非線性且難以建模[23—24]。

相比常規(guī)電阻焊，微型電阻焊的仿真模擬過(guò)程影響參數(shù)更多，建模也更為復(fù)雜。LYNCH等提出響應(yīng)面方法、數(shù)學(xué)建模和使用非線性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程優(yōu)化可用于提供突破性的焊接工藝，可以替代焊接重復(fù)試驗(yàn)[25]。CONG等為了在 300 nm 鍍金石英基板上用40 μm銅線進(jìn)行平行間隙焊，討論了熱輸入對(duì)鍵合界面演變和失效模式的影響，利用ANSYS軟件對(duì)引線鍵合過(guò)程進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)隨著熱量輸入的增加，結(jié)合界面面積顯著增加，并且厚度急劇減小。同時(shí)，鍵合界面處的溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)，而這與中間相的產(chǎn)生密切相關(guān)，鍍金層焊點(diǎn)中心的溫度變化如圖12所示[26]。

WU等針對(duì)微型電阻焊接過(guò)程中的電流密度、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力和應(yīng)變分布很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量等問(wèn)題，建立了1︰1的有限元模型，以此來(lái)模擬焊接過(guò)程以及在熱沖擊、隨機(jī)振動(dòng)和電熱老化環(huán)境下的3個(gè)可靠性測(cè)試[27]。楊洪剛等針對(duì)鍍銀銅導(dǎo)線與可伐合金鍍銀連接片的焊接工藝，建立了熱-電-力多物理場(chǎng)耦合仿真分析模型，獲得了焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布，如圖13所示。同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，得到了焊接電流對(duì)點(diǎn)焊接頭剪切力學(xué)性能的影響規(guī)律，為鍍銀銅導(dǎo)線與可伐合金連接片的可靠連接提供理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)[28]。

圖7 鍍銀的銅引線與PCB焊盤(pán)的平行微隙焊[18]Fig.7 Parallel micro gap welding of silver-plated copper wire and PCB pad

圖8 絕緣銅線的掛鉤型電阻熱壓焊[22]Fig.8 Hook-type resistance thermocompression welding of insulated copper wire

圖9 電阻熱壓焊焊接示意圖[21]Fig.9 Schematic diagram of resistance thermocompression welding

圖10 Cu/Au接頭的縱向截面[20]Fig.10 Longitudinal section of Cu/Au joints

圖11 不同焊接壓力下的絕緣銅線電阻熱壓點(diǎn)焊接頭橫截面[21]Fig.11 Cross-sections of insulated copper wire resistance thermocompression welding joints under different welding pressures

圖12 鍍金層焊點(diǎn)中心的溫度變化[26]Fig.12 Temperature variation at the solder joint center of gold plated layer

在電阻焊過(guò)程中，接觸電阻作用十分重要。TAM等對(duì)鎳鈦諾線進(jìn)行微型電阻焊并分析了接觸電阻的變化。發(fā)現(xiàn)鎳鈦諾的假?gòu)椥蕴匦栽诤附与娏鏖_(kāi)始期間對(duì)接觸電阻有很大的影響。與焊接 316LVM 不銹鋼交叉焊線相比，鎳鈦諾交叉焊絲在RMW期間的動(dòng)態(tài)電阻和位移測(cè)量值顯著不同[29]。Mo等建立了線與薄片的微型電阻焊的模型，模型采用耦合熱電機(jī)械分析，并考慮了材料的溫度相關(guān)熱物理性質(zhì)、接觸電阻和塞貝克效應(yīng)等因素的影響，發(fā)現(xiàn)鉬電極與銅線之間的界面溫度高于接合面。預(yù)測(cè)的熱分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，說(shuō)明所提出的模型可以應(yīng)用于預(yù)測(cè)焊接參數(shù)的影響[30]。

圖13 焊接溫度場(chǎng)分布（℃）Fig.13 Distribution of welding temperature field

BABU等將接觸界面的電阻定義為被測(cè)量的跨界面施加壓力的函數(shù)。利用有關(guān)體電阻率與機(jī)械性能溫度依賴性的已知信息，使用曲線擬合程序來(lái)建立所需的接觸電阻與壓力和溫度的關(guān)系。該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c低壓力狀態(tài)下的接觸電阻值非常吻合，但在高壓下，接觸電阻預(yù)測(cè)值較低，這是因?yàn)榻佑|界面處粗糙度的應(yīng)變硬化。該模型為將接觸電阻的壓力和溫度依賴性納入電阻點(diǎn)焊的過(guò)程模型提供了合適的方法[31]。模型仿真結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，電極/薄板和薄板/薄板界面電阻的變化會(huì)影響熔核的形成和增長(zhǎng)[32]。

在焊接過(guò)程的數(shù)值仿真中還需考慮焊接電極的形狀與磨損、焊機(jī)的機(jī)械及電氣特性、電流波形、接頭截面上的電流和電極力的分布以及熱、電、力和冶金現(xiàn)象之間的交互作用等多種影響因素[33]。

3 微型電阻焊的相關(guān)應(yīng)用

3.1 電子封裝和電氣互連

微細(xì)銅線和金線微連接工藝廣泛用于系統(tǒng)集成電子封裝及電氣互連領(lǐng)域，如傳感器、線圈、智能手機(jī)喇叭、貼片電感、IC封裝等行業(yè)，如圖14所示?，F(xiàn)在銅線鍵合已逐漸取代了大多數(shù)商用電子器件中的金線鍵合。不僅是因?yàn)殂~線降低電子封裝成本（用銅代替金線可節(jié)省 20%的成本）的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而且銅比金的材料性能更優(yōu)，例如，銅線具有更低的電阻率、更高的熱導(dǎo)率、更高的抗拉強(qiáng)度和更高的彈性模量[34—35]。雖然銅線相對(duì)金線有很大的優(yōu)勢(shì)，但是銅線鍵合仍面臨問(wèn)題，如裸 Cu線易腐蝕且在封裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)引線掃掠（Wire sweeping）和導(dǎo)線短路的問(wèn)題，而絕緣銅線鍵合工藝可以很好解決這些問(wèn)題[36]。

圖14 微型電阻焊在電氣互連中的應(yīng)用Fig.14 Application of resistance microwelding in electrical interconnection

王晨曦[18]指出平行間隙焊焊接銅線時(shí)，過(guò)熱輸入和過(guò)大電極力會(huì)使鍍層起皺或熔化，從而接頭力學(xué)性能急劇下降。對(duì)最優(yōu)參數(shù)接頭進(jìn)行熱沖擊、隨機(jī)振動(dòng)和電老化的可靠性測(cè)試，結(jié)果表明，500次熱沖擊后，接頭強(qiáng)度有所下降，而隨機(jī)振動(dòng)未對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生變化。電老化時(shí)長(zhǎng)為360 h時(shí)，鍵合界面變形并出現(xiàn)裂紋，到達(dá)720 h時(shí)，接頭完全失效。

平行間隙焊雖能實(shí)現(xiàn)絕緣銅線的異種金屬單面焊接，但是仍需要預(yù)先去除絕緣漆膜，增加了工序和成本。Mo[15]引入預(yù)熱階段，對(duì)絕緣銅線去除漆層，但該工藝屬于雙面焊范疇，而元件尺寸愈來(lái)愈小型化，限制了在該領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)此單面焊工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用便尤為重要。郭松名[21]開(kāi)發(fā)微型電阻熱壓點(diǎn)焊工藝，以焊接微細(xì)絕緣銅線。電流流過(guò)電極體尖端產(chǎn)生電阻熱，在電極力和電極尖端輸入熱量共同作用下，實(shí)現(xiàn)了微連接。通過(guò)拉剪實(shí)驗(yàn)和金相觀察，證明此方法可以實(shí)現(xiàn)固相鍵合，獲得良好的焊接接頭。圖15為采用微型電阻熱壓點(diǎn)焊方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)濾波器微細(xì)電磁線微連接的案例。

圖15 網(wǎng)絡(luò)濾波器Fig.15 Network filter

3.2 植入式醫(yī)療器件

植入式醫(yī)療器件是醫(yī)療保健行業(yè)的關(guān)鍵器件，如血管支架、心臟起搏器、導(dǎo)尿管等，由于該器件在人體內(nèi)工作，要求采用細(xì)小并且具有生物相容性的材料及高可靠的連接工藝。微電阻焊工藝在該領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。常用的集中材料有316 LVMSS（316 low-carbon vacuum melting stainless steel）、TiNi形狀記憶合金及鈦合金等，裝置層面可植入材料及應(yīng)用如表1所示[37]。

Zhou和FUKUMOTO等對(duì)以上可植入材料的微型電阻焊做了比較深入的研究，依據(jù)焊接區(qū)的組織和接頭的力學(xué)性能對(duì)微型電阻焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，分析了微型電阻焊接頭的組織特征，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的組織形態(tài)和材料的物理特性有關(guān)，指出電極粘連是微型電阻焊遇到的重要問(wèn)題[11—12,38—40]。

表1 可植入材料及應(yīng)用[37]Tab.1 Implantable materials and applications

HUANG等對(duì)交叉的Pt-10Ir和316LVM不銹鋼絲進(jìn)行微型電阻焊，通過(guò)檢查表面形態(tài)、橫截面、接頭斷裂力和測(cè)量微型電阻焊動(dòng)態(tài)電阻，研究了在不同電極壓力下的接頭性能。在低電極壓力下觀察到電極粘附和熔融金屬過(guò)度排出，但在較高電極壓力下產(chǎn)生了裂紋和缺口的接頭。此外，還對(duì)單脈沖接頭進(jìn)行了分析，提出了多脈沖的新工藝。該工藝改善了接頭表面質(zhì)量，同時(shí)獲得了接近Pt-10Ir焊絲拉伸強(qiáng)度 90%的結(jié)合強(qiáng)度[41]。心臟起搏器頭部的 Ti絲與 Ti6Al4V終端的微型電阻焊如圖16所示[6]。

圖16 心臟起搏器頭部的Ti絲與Ti6Al4V終端的微型電阻焊[6]Fig.16 Resistance microwelding of Ti wire of pacemaker head and Ti6Al4V terminal

4 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、哈工大、南昌航空大學(xué)、華南理工大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等科研院所都在微型電阻焊領(lǐng)域做了大量富有開(kāi)創(chuàng)性的工作，但在微細(xì)線材的微型電阻焊的接頭形成機(jī)理、新型焊接工藝開(kāi)發(fā)、過(guò)程仿真與監(jiān)控等方面，與國(guó)外同行相比還有較大差距，主要反映在沒(méi)有形成系統(tǒng)化的研究體系，筆者建議今后的研究應(yīng)致力于以下幾個(gè)方面。

1）研發(fā)相關(guān)微型電阻焊設(shè)備，提高制造精度水平。應(yīng)用最新電力電子技術(shù)、數(shù)字化智能控制技術(shù)研制輸出精度高、響應(yīng)速度快的新型電源和全閉環(huán)控制的伺服加壓機(jī)構(gòu)，同時(shí)針對(duì)微型電阻焊的特點(diǎn)及具體應(yīng)用，研究電極材料及其形狀尺寸對(duì)接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。

2）微型電阻焊連接機(jī)理的系統(tǒng)性研究。確定線材與片材、線材與線材等焊接機(jī)理，研究鍍層金屬對(duì)接頭界面和質(zhì)量的影響。

3）材料的焊接性。開(kāi)展各種類型規(guī)格微細(xì)線材、不同鍍層焊件的可焊性研究，建立完善的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，尤其是電子與生物醫(yī)療器械領(lǐng)域。

4）微型電阻焊過(guò)程的仿真模擬。建立交叉線材、線材-板材、平行微隙焊、微型電阻熱壓點(diǎn)焊的焊接過(guò)程數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化焊接工藝。

5）國(guó)內(nèi)研究人員應(yīng)積極參與有關(guān)微型電阻焊工藝和設(shè)備通用標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。