郭松名，李遠(yuǎn)波，袁 甜，吳德成

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

0 前言

漆包線（也稱(chēng)電磁線）廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療器具和半導(dǎo)體的生產(chǎn)中（如傳感器、變壓器、芯片互連引線等），充當(dāng)內(nèi)部元件和作為元器件內(nèi)外連接介質(zhì)，起到重要的導(dǎo)電介質(zhì)作用[1]。在內(nèi)部連接時(shí)，漆包線要與金屬引腳實(shí)現(xiàn)電氣連接，其余部分應(yīng)當(dāng)保留漆膜，以防止與其他引腳接觸產(chǎn)生短路或者漏電。

漆包線微連接的方法包括釬焊、超聲熱壓焊、激光軟釬焊和微型電阻焊等。微型電阻焊具有易實(shí)施、低成本和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微電子器件的焊接[2]。本研究采用微型電阻焊方法對(duì)直徑0.1 mm的漆包線和0.2 mm厚的銅箔進(jìn)行單面點(diǎn)焊試驗(yàn)，在焊接電流、焊接時(shí)間一定的條件下，研究不同的焊接壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。主要從焊點(diǎn)外觀尺寸、接頭斷裂方式和拉斷力等方面對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

漆包線選用P155p級(jí)改性聚氨酯漆包線，裸線直徑0.10 mm，漆膜平均厚度15 μm，具有直焊性，拉伸后線材致密?；足~箔選用工業(yè)級(jí)磷青銅箔，尺寸18 mm×7 mm×0.2 mm，化學(xué)成分如表1所示，磷青銅箔表面電鍍有Sn鍍層，厚度3μm，中間層Ni厚度 3 μm。

表1 磷青銅箔的化學(xué)成分 %Table 1 Chemical composition of phosphor bronze foil

漆包線的微型電阻焊對(duì)焊接電極有特定的要求。電極尖端以設(shè)定的壓力壓住漆包線后焊接電源放電，電極尖端瞬間流過(guò)強(qiáng)大電流，溫度急劇上升，從而產(chǎn)生點(diǎn)焊所需熱量，因此選取高電導(dǎo)率的鎢合金作為電極材料，制成如圖1所示形狀的鎢合金電極。

圖1 電極示意Fig.1 Schematic of electrode

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)設(shè)備采用自行研制的微型電阻焊電源，輸出精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快[3]。其中，逆變頻率為5 kHz，最大輸出電流1 kA，調(diào)節(jié)精度為1 A，焊接時(shí)間調(diào)節(jié)精度為1 ms。焊接加壓機(jī)構(gòu)采用彈簧隨動(dòng)腳踏加壓式，最大設(shè)置壓力為70盎司（19.8 N）并連續(xù)可調(diào)。

漆包線銅箔單面點(diǎn)焊試驗(yàn)的焊接方法如圖2所示。通過(guò)踏板使電極壓力FE達(dá)到預(yù)先設(shè)定的焊接壓力時(shí)，觸發(fā)焊接電源放電，實(shí)現(xiàn)微型電阻點(diǎn)焊。電源輸出電流為單脈沖直流波形，微型電阻點(diǎn)焊過(guò)程分為預(yù)壓、焊接、保壓冷卻3個(gè)階段，電流及壓力時(shí)序如圖3所示。

圖2 焊接示意Fig.2 Schematic of welding

圖3 電流及壓力時(shí)序Fig.3 Current and pressure timing

漆包線銅箔單面點(diǎn)焊試驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)接頭拉斷力和焊點(diǎn)表面狀況來(lái)評(píng)判其焊接質(zhì)量[4]。使用CMT8501萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭拉斷力。測(cè)試方法如圖4所示，將銅箔一頭安裝在試驗(yàn)機(jī)基座，另一頭的漆包線安裝至試驗(yàn)機(jī)上方線夾具上，以10 mm/min的速度進(jìn)行拉伸，同時(shí)記錄斷裂失效的拉力值及失效形式。焊接接頭的失效形式可分為線材斷裂和焊點(diǎn)脫落兩種，如圖5所示。

圖4 拉斷試驗(yàn)示意Fig.4 Schematic of tensile test

用5 400萬(wàn)像素的超景深三維光學(xué)顯微鏡（VHX-600，Keyence Corporation，Japan）觀察焊點(diǎn)外觀形貌和金相組織，焊點(diǎn)長(zhǎng)度L、寬度W的測(cè)量如圖6所示。采用熱壓鑲嵌的方法制成金相樣品，金相樣品以垂直線材方向?yàn)闄M截面制樣，拋光后選用FeCl3溶液腐蝕樣品，15 s后在顯微鏡下觀察。金相制作示意如圖6所示。

圖5 接頭失效形式Fig.5 Joint failure modes

圖6 焊點(diǎn)尺寸測(cè)量及金相制作示意Fig.6 Solder joint size measurement and metallographic production

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)前期試驗(yàn)設(shè)定焊接電流370 A、焊接時(shí)間20 ms，焊接壓力從36盎司（10.2 N）增加到54盎司（15.3 N），共分為10組，每組進(jìn)行5次試驗(yàn)，測(cè)量焊點(diǎn)寬度和長(zhǎng)度，記錄每次試驗(yàn)的接頭拉斷力及斷裂方式，焊點(diǎn)寬度、長(zhǎng)度及拉斷力均取平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)，如表2所示。使用Origin軟件處理數(shù)據(jù)得出理想的曲線模型，接頭拉斷力、焊點(diǎn)寬度、長(zhǎng)度隨焊接壓力增加的變化規(guī)律如圖7～圖9所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Data of the test results

圖7 焊接壓力對(duì)接頭拉斷力的影響Fig.7 Effects of welding pressure on joint breaking force

圖8 焊接壓力對(duì)焊點(diǎn)寬度的影響Fig.8 Effects of welding pressure on solder joint width

由圖7可知，在焊接電流、焊接時(shí)間一定的條件下，隨著焊接拉力從36盎司（10.2 N）遞增到46盎司（13 N），拉斷力持續(xù)增大且達(dá)到峰值，繼續(xù)增加焊接壓力，接頭拉斷力開(kāi)始減小。焊接壓力在46盎司（13 N）以下時(shí)，其失效形式大部分為焊點(diǎn)脫落；壓力為44盎司（12.45 N）時(shí)，僅有兩次測(cè)試為線材斷裂；焊接壓力大于46盎司（13 N），樣品焊接質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到較好效果，95%以上的失效形式為線材斷裂。壓力為46盎司（13 N）樣品僅出現(xiàn)一次焊點(diǎn)脫落，滿(mǎn)足焊接穩(wěn)定性的要求。

圖9 焊接壓力對(duì)焊點(diǎn)長(zhǎng)度的影響Fig.9 Effects of welding pressure on solder joint length

由圖8可知，焊接壓力從36盎司（10.2 N）增大到54盎司（15.3 N），焊點(diǎn)寬度總體保持增加趨勢(shì)。當(dāng)焊接壓力為 36～48盎司（10.2～13.6 N）時(shí)，焊點(diǎn)寬度隨焊接壓力的增大而顯著增加；繼續(xù)加大焊接壓力，焊點(diǎn)寬度增幅明顯變緩。由圖9可知，焊點(diǎn)長(zhǎng)度隨著焊接壓力增大的變化幅度很小，保持一定幅度的波動(dòng)[5]。

隨著焊接壓力的增大，由于漆包線銅芯的徑向束縛，焊點(diǎn)長(zhǎng)度變化不明顯，主要取決于焊接電極的結(jié)構(gòu)和形狀。但是隨著壓力增大，通過(guò)電極施加在漆包線的機(jī)械力增強(qiáng)了漆膜壓碎作用，提高漆膜去除率；其次漆包線隨著壓力增大而被壓得越扁平，焊點(diǎn)寬度加寬，電極和漆包線的接觸面積增大，更多有效的焊接熱量先燒蝕漆膜然后從銅線傳遞到銅箔；最后，隨著壓力增大，漆包線和銅箔結(jié)合得越緊密，產(chǎn)生的熱量也更容易從電極尖端向漆包線和銅箔傳遞，促進(jìn)焊點(diǎn)結(jié)合力，所以焊接后接頭拉斷力會(huì)增大。根據(jù)公式

式中 F為接頭拉斷力；σ為鍵合強(qiáng)度；A為鍵合面積[6]。在壓力較小時(shí)，焊接電極對(duì)銅線的作用力較小，焊接時(shí)形成的焊點(diǎn)寬度和面積就小，反之，焊點(diǎn)寬度和面積大。而焊點(diǎn)面積決定了鍵合面積，根據(jù)式（1）可知，由于鍵合強(qiáng)度σ取決于材料，焊接壓力越大，鍵合面積越大，所以接頭拉斷力越大。焊接壓力達(dá)到48盎司（13.6 N）以上，再增大壓力，則接頭拉斷力開(kāi)始下降，此時(shí)的失效模式均為線材斷裂。這是因?yàn)楹附与姌O將漆包線壓得過(guò)薄，并且電極尖端對(duì)線材的剪切應(yīng)力較大，在壓塌焊點(diǎn)與線材過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生缺口，導(dǎo)致拉斷力逐漸下降。

為了更好地評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量，選取一組不同焊接壓力下的接頭圖片，如圖10所示。不同焊接壓力下的接頭外觀質(zhì)量好，脫漆程度高，焊接電極產(chǎn)生的熱量使壓塌的漆膜直接汽化，焊點(diǎn)附近漆包線上的漆膜在高溫下迅速向兩端回縮；焊點(diǎn)處未產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形、氧化發(fā)黑、焊點(diǎn)炸裂、電極粘連等焊接缺陷[5]。此外，從焊點(diǎn)的熱影響區(qū)來(lái)看，焊接壓力為46盎司（13 N）的熱影響區(qū)大于其他焊接壓力下的熱影響區(qū)，這間接說(shuō)明焊接壓力為46盎司（13 N）時(shí)有效焊接能量最大，焊點(diǎn)結(jié)合力更強(qiáng)，拉斷力處于峰值階段。

圖10 不同焊接壓力下的接頭外觀Fig.10 Views of joints made with different welding pressure

選取焊接壓力為46盎司（13 N）的金相樣品進(jìn)行觀察，如圖11所示?？梢钥闯觯~線在焊接過(guò)程中發(fā)生塑性變形，形狀由橢圓變得扁平；由于Sn的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于Cu，焊接后結(jié)合處的Sn熔化與銅線形成軟釬焊接頭；在壓力作用下Sn層被擠壓到線材兩側(cè)，在兩側(cè)形成光滑的圓角，銅線直接與硬度、熔點(diǎn)更高的Ni層固相鍵合，結(jié)合處存在明顯的Ni層界線，整體實(shí)現(xiàn)漆包線和銅箔“軟釬焊-固相鍵合”接頭。熔化的Sn在銅線兩側(cè)形成的過(guò)渡圓角可顯著提高接頭拉斷力[6]。

圖11 金相組織Fig.11 Metallographic structure

在生產(chǎn)實(shí)踐中，漆包線的微連接不僅追求高的接頭抗拉強(qiáng)度，還追求良好的焊點(diǎn)外觀。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，焊接壓力在 44盎司（12.45N）、46盎司（13N）、48盎司（13.58 N）時(shí)，接頭拉斷力分別為0.883 46 N、0.94316 N、0.93054N，焊點(diǎn)寬度分別為 183.526 μm、202.066 μm、206.77 μm。對(duì)拉斷力而言，漆包線自身線材拉斷力為1.4 N，焊接后的焊點(diǎn)拉斷力達(dá)到母材拉斷力的約65%，焊點(diǎn)寬度約為漆包線母材線徑的1.7～1.9倍，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中漆包線微連接穩(wěn)定性的要求。

3 結(jié)論

（1）接頭拉斷力隨焊接壓力的增大先上升后下降，在約46盎司（13 N）時(shí)達(dá)到最大。焊接壓力過(guò)小，拉斷力較低且焊點(diǎn)失效形式為結(jié)合面脫落；焊接壓力過(guò)大，使線材損傷，接頭拉斷力逐漸變小，焊點(diǎn)失效形式為線材斷裂。

（2）焊點(diǎn)寬度隨著焊接壓力的增大而增加；焊點(diǎn)長(zhǎng)度隨焊接壓力的變化很小，主要由焊接電極的形狀和結(jié)構(gòu)決定。

（3）線材產(chǎn)生塑性變形，銅箔Sn鍍層熔化被擠壓堆積在線材兩側(cè)，漆包線和銅箔接頭形成機(jī)理為“軟釬焊-固相鍵合”。

（4）在本研究試驗(yàn)條件下，較為合適的焊接壓力為 44～48盎司（12.45～13.58 N），最佳焊接壓力約為46盎司（13 N），此時(shí)接頭拉斷力為0.943 16 N，焊點(diǎn)寬度為202.066 μm。