微細線材微型電阻焊技術研究進展

李遠波，崔志遠，郭松名

（廣東工業大學，廣州 510006）

微連接技術在集成電路封裝、電子元器件制造、微機電系統制造、醫療器械制造、儀器儀表制造、精密機械制造等領域發揮著重要作用。隨著微機電系統、電子元器件和生物醫療器件等不斷向小型化、復雜化、多功能化和高可靠性方向發展，對連接件性能的要求越來越苛刻，各種材料的微細線材和箔片材料被廣泛應用。微細線材的微連接技術主要包括釬焊、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）具有設備成本低、焊接接頭可靠性高、生產效率高等優點，廣泛應用于電子和醫療器件的制造。

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，但它與常規電阻焊簡單減小焊件尺寸不同，兩者在應用領域、焊件材料、工藝參數范圍、連接機理等方面均有很大差別[3—4]，微型電阻焊對溫度變化更加敏感，從而國內外學者在這一領域做了大量的研究。中國是全球電子產品最大的生產國，以我國電子信息制造業中心粵港澳大灣區為例，微細線材微連接應用非常廣泛，微型線材的焊接質量非常關鍵，直接關系到器件及整個系統的穩定可靠性，文中主要從微細線材微型電阻焊工藝、連接機理、仿真模擬、相關應用等方面對近些年研究狀況進行總結及展望。

1 微型電阻焊工藝及連接機理

1.1 微型電阻點焊

微型電阻焊基本原理與常規電阻焊類似[3,5]，都是利用電流通過金屬焊件的接觸面產生的電阻熱進行連接。以微細線材微連接采用的微型電阻點焊工藝為例，如圖1所示，兩個電極將焊接工件壓在一起，電流通過工件時，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生電阻熱，將兩個工件局部熔化，生成熔核并連接在一起[6]。現在關于微細線材微型電阻焊工藝主要有微型電阻點焊[7—15]、平行間隙焊[16—20]、微型電阻熱壓點焊[21]。此外，微型電阻焊焊接接頭的連接機理是當前研究熱點，已有的連接機理主要有固相連接、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，對電參數和力參數的控制精度要求很高，焊接時間也會較短，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]。加壓機構一般采用彈簧式壓力追從、伺服加壓等方式，伺服加壓機構能很精確地控制壓力的大小以及電極的位置，實現不同的進給速度從而達到電極對工件的軟接觸，大大降低電極對微細線材焊接時的沖擊，降低了電極的損壞率而提高了焊接質量。

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

Fukumoto對直徑為0.4 mm的微細交叉鎳線進行微型電阻點焊，提出接頭拉斷力（JBF）和線材壓線率（Set-down）兩個指標，研究了焊接電流、焊接時間和電極力對焊接質量的影響，接頭搭接如圖2a所示。實驗發現，開始時拉斷力隨著焊接電流的增加而增加，但電流超過一定值后拉斷力反而會降低，如圖2b所示，這是因為熱影響區（Heat affect zone, HAZ）發生重結晶導致材料軟化。還提出了在電極力達到其設定值之前就開始通電焊接的思路，以此來優化工藝，這樣可以使初始接觸電阻與焊接力之間達到適當的平衡，這樣既能產生足夠的熱量，又可以產生較大的塑性變形，擠出熔融金屬來擴大結合面積，從而提高焊接強度，如圖2c所示[7]。Fukumoto又對鍍金鎳絲、鍍金鎳片和裸鎳絲進行了比較，發現導線表面為Au鍍層時，對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焊[7]Fig.2 Resistance spot microwelding of crossed nickel wire

Fukumoto等[7]還發現交叉鎳絲微細線的微型電阻焊過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316LVM不銹鋼線進行微型電阻點焊，發現首先線材表面發生熔化，然后熔融金屬被從界面兩側擠出，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了熔化焊的趨勢[9]。由此可見，材料的物理特性對接頭連接機理產生很大的影響。對于異種材料，材料物理特性差異較大，系統加熱不平衡會使焊接過程更復雜，如Pt線與較厚的316不銹鋼（3 mm厚）連接時，焊接熱量低輸入時為固相連接，高輸入熱量則變為熔化焊連接[10]，如圖4所示。

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

Mo等將微細絕緣銅線與磷青銅薄片進行微型電阻點焊工藝試驗，引入預熱階段來去除絕緣漆層。結果表明，隨著焊接電流的增加，接頭拉斷力先增大后減小，另外在接合面沒有形成焊接熔核，整個工藝階段依次為線材變形、絕緣層熔化和移位以及固態鍵合，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焊，但只生成一個熔核。An等利用平行間隙電阻焊實現了帶金鍍層的銀線和鍺太陽能電池電極銀基底之間的連接，研究了焊接參數對接頭性能的影響，進行了焊接工藝的優化和可靠性評估[16]。Zhang等使用平行間隙焊方法實現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，電流導通時電極尖端產生焦耳熱，在壓力共同作用下實現連接[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板上的裸銅焊盤及鍍錫銅焊盤進行平行間隙焊，并研究了接頭特性。通過比較兩種接頭的焊點形態、斷口形貌及界面區元素組成，發現由于Sn的局部熔化產生了毛細現象，造成焊接溫度場不均勻，從而導致了引線周圍裂紋的產生，對接頭的強度影響很大，裂紋如圖7所示[18]。

1.3 微型電阻熱壓點焊

微型電阻熱壓點焊可以實現絕緣微細銅線（電磁線）的微連接，它也是微型電阻焊的一種，采用的焊接設備及加壓機構與平行間隙電阻焊類似，但電極區別較大。傳統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實現絕緣銅線和金鍍層的互聯，但絕緣銅線要先除漆[20]。廣東工業大學的郭松名等利用微型電阻熱壓點焊工藝成功實現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，該方法在電極內部構成回路，電流流過電極尖端時產生電阻熱，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，即使在過熱狀態下也沒有熔核，因此該工藝對Cu/Ag的連接機理為固態連接，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焊同樣沒有產生熔核，也是固相連接，如圖11所示。

綜上所述，因為各種微細線材材料、焊件鍍層材料具有多樣性，微型電阻焊的形成機理比較復雜，尤其對于異種材料來說，而連接機理的研究影響微型電阻焊的進一步應用，微型電阻焊的連接機理還需進行系統的研究并總結規律，才能制定合適的工藝參數窗口來獲得高性能的接頭。

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

由于焊接方法的復雜性以及大量工藝參數之間的物理關系，往往嚴重依賴經驗和反復試驗，因此需要在焊接工藝開發中使用統計方法建立數學模型，其中電阻焊過程涉及電、熱和機械相互作用，使整個焊接過程高度非線性且難以建模[23—24]。

相比常規電阻焊，微型電阻焊的仿真模擬過程影響參數更多，建模也更為復雜。LYNCH等提出響應面方法、數學建模和使用非線性實驗設計的過程優化可用于提供突破性的焊接工藝，可以替代焊接重復試驗[25]。CONG等為了在 300 nm 鍍金石英基板上用40 μm銅線進行平行間隙焊，討論了熱輸入對鍵合界面演變和失效模式的影響，利用ANSYS軟件對引線鍵合過程進行仿真，發現隨著熱量輸入的增加，結合界面面積顯著增加，并且厚度急劇減小。同時，鍵合界面處的溫度呈指數增長，而這與中間相的產生密切相關，鍍金層焊點中心的溫度變化如圖12所示[26]。

WU等針對微型電阻焊接過程中的電流密度、溫度場以及應力和應變分布很難通過實驗來測量等問題，建立了1︰1的有限元模型，以此來模擬焊接過程以及在熱沖擊、隨機振動和電熱老化環境下的3個可靠性測試[27]。楊洪剛等針對鍍銀銅導線與可伐合金鍍銀連接片的焊接工藝，建立了熱-電-力多物理場耦合仿真分析模型，獲得了焊接過程的溫度場分布，如圖13所示。同時結合實驗研究，得到了焊接電流對點焊接頭剪切力學性能的影響規律，為鍍銀銅導線與可伐合金連接片的可靠連接提供理論參考和實驗依據[28]。

圖7 鍍銀的銅引線與PCB焊盤的平行微隙焊[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

在電阻焊過程中，接觸電阻作用十分重要。TAM等對鎳鈦諾線進行微型電阻焊并分析了接觸電阻的變化。發現鎳鈦諾的假彈性特性在焊接電流開始期間對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期間的動態電阻和位移測量值顯著不同[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械分析，并考慮了材料的溫度相關熱物理性質、接觸電阻和塞貝克效應等因素的影響，發現鉬電極與銅線之間的界面溫度高于接合面。預測的熱分布與實驗數據非常吻合，說明所提出的模型可以應用于預測焊接參數的影響[30]。

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

BABU等將接觸界面的電阻定義為被測量的跨界面施加壓力的函數。利用有關體電阻率與機械性能溫度依賴性的已知信息，使用曲線擬合程序來建立所需的接觸電阻與壓力和溫度的關系。該經驗模型與低壓力狀態下的接觸電阻值非常吻合，但在高壓下，接觸電阻預測值較低，這是因為接觸界面處粗糙度的應變硬化。該模型為將接觸電阻的壓力和溫度依賴性納入電阻點焊的過程模型提供了合適的方法[31]。模型仿真結果表明，隨著時間的推移，電極/薄板和薄板/薄板界面電阻的變化會影響熔核的形成和增長[32]。

在焊接過程的數值仿真中還需考慮焊接電極的形狀與磨損、焊機的機械及電氣特性、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 微型電阻焊的相關應用

3.1 電子封裝和電氣互連

微細銅線和金線微連接工藝廣泛用于系統集成電子封裝及電氣互連領域，如傳感器、線圈、智能手機喇叭、貼片電感、IC封裝等行業，如圖14所示。現在銅線鍵合已逐漸取代了大多數商用電子器件中的金線鍵合。不僅是因為銅線降低電子封裝成本（用銅代替金線可節省 20%的成本）的驅動機制，而且銅比金的材料性能更優，例如，銅線具有更低的電阻率、更高的熱導率、更高的抗拉強度和更高的彈性模量[34—35]。雖然銅線相對金線有很大的優勢，但是銅線鍵合仍面臨問題，如裸 Cu線易腐蝕且在封裝過程中會出現引線掃掠（Wire sweeping）和導線短路的問題，而絕緣銅線鍵合工藝可以很好解決這些問題[36]。

圖14 微型電阻焊在電氣互連中的應用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，過熱輸入和過大電極力會使鍍層起皺或熔化，從而接頭力學性能急劇下降。對最優參數接頭進行熱沖擊、隨機振動和電老化的可靠性測試，結果表明，500次熱沖擊后，接頭強度有所下降，而隨機振動未對強度產生變化。電老化時長為360 h時，鍵合界面變形并出現裂紋，到達720 h時，接頭完全失效。

平行間隙焊雖能實現絕緣銅線的異種金屬單面焊接，但是仍需要預先去除絕緣漆膜，增加了工序和成本。Mo[15]引入預熱階段，對絕緣銅線去除漆層，但該工藝屬于雙面焊范疇，而元件尺寸愈來愈小型化，限制了在該領域的應用，對此單面焊工藝的開發與應用便尤為重要。郭松名[21]開發微型電阻熱壓點焊工藝，以焊接微細絕緣銅線。電流流過電極體尖端產生電阻熱，在電極力和電極尖端輸入熱量共同作用下，實現了微連接。通過拉剪實驗和金相觀察，證明此方法可以實現固相鍵合，獲得良好的焊接接頭。圖15為采用微型電阻熱壓點焊方法實現網絡濾波器微細電磁線微連接的案例。

圖15 網絡濾波器Fig.15 Network filter

3.2 植入式醫療器件

植入式醫療器件是醫療保健行業的關鍵器件，如血管支架、心臟起搏器、導尿管等，由于該器件在人體內工作，要求采用細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域應用非常廣泛。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用如表1所示[37]。

Zhou和FUKUMOTO等對以上可植入材料的微型電阻焊做了比較深入的研究，依據焊接區的組織和接頭的力學性能對微型電阻焊工藝進行優化，分析了微型電阻焊接頭的組織特征，發現焊接接頭的組織形態和材料的物理特性有關，指出電極粘連是微型電阻焊遇到的重要問題[11—12,38—40]。

表1 可植入材料及應用[37]Tab.1 Implantable materials and applications

HUANG等對交叉的Pt-10Ir和316LVM不銹鋼絲進行微型電阻焊，通過檢查表面形態、橫截面、接頭斷裂力和測量微型電阻焊動態電阻，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度排出，但在較高電極壓力下產生了裂紋和缺口的接頭。此外，還對單脈沖接頭進行了分析，提出了多脈沖的新工藝。該工藝改善了接頭表面質量，同時獲得了接近Pt-10Ir焊絲拉伸強度 90%的結合強度[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 結語

近些年來國內清華大學、哈工大、南昌航空大學、華南理工大學、廣東工業大學等科研院所都在微型電阻焊領域做了大量富有開創性的工作，但在微細線材的微型電阻焊的接頭形成機理、新型焊接工藝開發、過程仿真與監控等方面，與國外同行相比還有較大差距，主要反映在沒有形成系統化的研究體系，筆者建議今后的研究應致力于以下幾個方面。

1）研發相關微型電阻焊設備，提高制造精度水平。應用最新電力電子技術、數字化智能控制技術研制輸出精度高、響應速度快的新型電源和全閉環控制的伺服加壓機構，同時針對微型電阻焊的特點及具體應用，研究電極材料及其形狀尺寸對接頭質量的影響規律。

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

3）材料的焊接性。開展各種類型規格微細線材、不同鍍層焊件的可焊性研究，建立完善的工藝數據庫，尤其是電子與生物醫療器械領域。

4）微型電阻焊過程的仿真模擬。建立交叉線材、線材-板材、平行微隙焊、微型電阻熱壓點焊的焊接過程數學模型，優化焊接工藝。

5）國內研究人員應積極參與有關微型電阻焊工藝和設備通用標準的制定工作。