熱循環對金帶微電阻點焊接頭連接界面及抗拉力的影響

蔣玲玲 郭芮岐 劉剛 張樂 樊凱 張勇

熱循環對金帶微電阻點焊接頭連接界面及抗拉力的影響

蔣玲玲1郭芮岐1劉剛1張樂2樊凱2張勇1

（1 西北工業大學 陜西省摩擦焊接工程技術重點實驗室，西安 710072；2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100）

針對金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結構，制備單面微電阻點焊焊點，在模擬空間環境溫度交替變化的條件下，即-65℃～150℃，溫度轉換時間＜1分鐘，高低溫保溫時間各15分鐘，進行500次的熱循環試驗。借助聚焦離子/電子雙束電鏡和拉力測試機，研究焊點的微觀界面、斷裂模式及抗拉力，分析有無熱循環焊點連接界面變化機理及焊點的可靠性。結果表明，熱循環過程中，焊點連接界面上未緊密接觸的孔洞，在畸變能差驅動的界面擴散作用下，從孔頸處開始接觸并發生原子結合，尺度減小。未經熱循環焊點和經歷了熱循環試驗的焊點，斷裂模式均為金帶頸部斷裂，平均拉力值變化不超過10g，其差異主要由熱循環試驗熱應力對金帶的損傷程度不同引起。在模擬空間環境熱循環試驗條件下，金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結構單面微電阻點焊焊點具備高可靠度。

金帶；微電阻點焊；熱循環；連接界面；可靠性

0 引言

隨著航天技術的迅速發展，惡劣的空間環境對航天器的設計提出了苛刻的要求[1-4]。特別是對其中的焊接結構，除應保證其力學性能滿足承載、變形等要求外，還需著重考慮空間環境因素對焊點可靠性的影響[5]。有研究表明，溫度交替變化的空間環境可能會使航天器中焊接結構的力學性能和材料尺寸發生變化[6-8]。因此航天器在發射前，必須對航天器中的焊接結構件進行空間熱循環模擬試驗，以確保其在服役環境下的可靠性[9]。

迄今已有航天器焊接結構可靠性研究的報道。Zhang等人[10]通過模擬-40℃～125℃熱循環試驗，分析了芯片級封裝中Sn3.5Ag0.7Cu焊點的失效模式。結果表明，由于焊料與基體材料間存在一定程度的線膨脹系數差異，熱循環過程會使連接界面上金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）層附近產生熱應力。焊點的失效模式基本為最外側角點處產生裂紋，裂紋萌生于焊料體，沿著IMC層擴展。薛松柏等人[11]采用試驗和有限元結合的方法研究了方型扁平式封裝器件焊點在25℃～125℃熱循環條件下的熱疲勞壽命。發現熱循環試驗后，裂紋在焊點內側釬料與焊盤界面處萌生；焊點的抗拉強度隨熱循環次數增加而逐漸降低；熱循環前焊點的斷裂方式為韌性斷裂，隨熱循環次數的增多，焊點晶粒粗化，斷裂韌窩變大，熱循環120次后的焊點斷裂方式主要為脆性斷裂，熱循環186次后的焊點為完全脆性斷裂。柳泉瀟瀟等人[12]對5052/HC420LA鋁鋼異質材料磁脈沖焊接接頭經高低溫循環試驗后的性能進行了研究。結果表明，將溫度從室溫逐漸升到200℃，加熱速度為4℃/min，保溫1h后再冷卻到室溫時，不同高低溫循環次數和冷卻條件下，焊接接頭的連接強度相比于5052鋁合金的母材強度下降約5%～25%。冷卻速度越快，高低溫循環次數越多，接頭力學性能下降越明顯。綜上所述，目前針對航天器焊接結構空間熱循環條件下可靠性的研究，主要集中在電子封裝釬焊接頭，對于微電阻點焊接頭鮮有報道。本文針對航天微波元器件中，采用單面微電阻點焊技術制備的金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連焊點，進行模擬空間環境熱循環試驗。通過拉力測試和微觀連接界面分析，研究焊點經熱循環試驗后的性能變化及內在機理，對其可靠性進行評估。

1 試驗方法

試驗所用純金帶尺寸為4000μm × 250μm × 25μm，陶瓷基板鍍金層采用陶瓷本體—過渡金屬層—金層電鍍工藝。焊接在地面環境進行。為了便于測試焊點抗拉力，采用圖1所示的金帶焊接方式和抗拉力測試方法。圖2所示為采用單面微電阻點焊技術制備的金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結構，制備金橋時嚴格保證每個金橋兩端焊點位置一致。由于不能進行原位觀察，針對不同熱循環次數，在同一塊基板上，采用相同較優焊接參數和點焊電極分別制備如圖1所示的12個對照組金橋和12個試驗組金橋，其中10個用于抗拉力測試，2個用于制備金相試樣。

圖1 金帶焊接方式和拉力測試方法

圖2 單面微電阻點焊制備金帶/陶瓷基板鍍金層互連結構

本文熱循環試驗的目的是研究太空中交替變化的溫度對焊點可靠性的影響。為了排除其他因素如空間輻射、振動等對試驗的影響，因此熱循環試驗不考慮其他環境因素，在地面環境條件下只模擬空間環境的溫度交替變化。依據GJB548B-2005中1010條件C，模擬空間環境熱循環試驗條件為：-65℃～150℃，溫度轉換時間＜1分鐘，高低溫保溫時間各15分鐘，循環100次。為了研究試樣在更極端環境下的可靠性，熱循環試驗在不改變溫度范圍、保溫時間和溫度轉換時間的條件下，將熱循環次數擴大至500次，每隔50次取出一批試樣進行測試。

采用DAGE 4000 PLUS型拉力測試機，分別對未經熱循環試驗的對照組（以下稱焊態）焊點和經熱循環試驗后的試驗組（以下稱熱循環態）焊點進行抗拉力測試，拉伸速度為1mm/s，以焊態10個金橋的平均拉力值作為焊點力學性能的評價指標。采用Helios G4 CX型聚焦離子/電子雙束電鏡，制備焊點金相試樣，觀察納米尺度的連接界面和微觀組織。

2 試驗結果與分析

2.1 焊點微觀界面觀察

焊態焊點局部連接界面微觀形貌如圖3 a)所示。從圖中可以發現，焊點連接界面清晰。連接界面上微米或納米級尺度的微孔洞隨機分布，且數量較多。500次熱循環態焊點連接界面微觀形貌如圖3 b)所示。可以看出，焊點連接界面上仍分布著數量較多的微孔洞。但與焊態焊點不同的是，連接界面上的大部分孔洞尺度較小，且陶瓷基板上過渡金屬層2與鍍金層之間出現納米級的微小孔洞。

圖3 焊點連接界面微觀形貌

根據金屬擴散理論，任何不均質(包括成分、結構)材料，在熱力學允許的條件下，都將趨向于均勻化。原子在擴散力(濃度、電場、應力場等的梯度)作用下，將發生從高濃度區域向低濃度區域運動的擴散行為。

圖4 Hill模型的孔洞閉合機制[13]

如圖4所示，Hill等人[13]基于金屬擴散理論，研究同質單相材料高溫擴散連接的孔洞閉合機理時發現，在焊接壓力和溫度的作用下，除了存在包括表面接觸時的塑性變形和蠕變（圖4中1和7）的塑性變形機制，以及包括物質從孔洞表面曲率大處向曲率小處進行表面擴散（圖4中2）、從物體內部向表面曲率大處進行體擴散（圖4中3）及從孔洞表面曲率大處向曲率小處進行揮發（圖4中4）的表面源擴散機制，還存在包括物質從界面向孔頸處進行晶界擴散（圖4中5）和物質從界面向孔頸處進行體擴散（圖4中6）的界面擴散機制。界面擴散是在局部曲率趨向一致的支配下，從界面上已緊密連接部位來的擴散原子流，自動流向未接觸的孔洞表面，使界面連接率提高，孔洞形狀不變但尺寸減小。事實上，在沒有外界壓力，僅在溫度的作用下，也存在界面擴散機制，也能使孔洞閉合，只是此時孔洞閉合有距離極限[14]。分析認為，由于金帶塑性變形能力強，隨溫度升高，其變形抗力將進一步降低。焊接過程中，連接表面凸峰緊密接觸后，金帶和鍍金層的塑性變形將引起晶格內部畸變、位錯、空位等各種缺陷大量堆積，使得已連接界面區的能量顯著增大，原子處于高度激活狀態。在隨后熱循環過程150℃溫度作用下，將促使金帶與鍍金層連接界面發生由畸變能差驅動的界面擴散機制。界面擴散機制使連接界面上的原子流向未緊密接觸的孔洞孔頸，孔洞上下表面在孔頸處最先開始接觸，隨后逐漸發生原子結合，從而尺度減小，界面連接率提高。陶瓷基板上過渡金屬層2與鍍金層之間出現納米級的微小孔洞的主要原因是熱循環試驗過程中不同材料間的熱膨脹系數差異會導致熱失配現象，使陶瓷基板上過渡金屬層2與鍍金層間產生交變熱應力，在一定熱循環時間下會在二者界面附近造成累積損傷，甚至萌生微孔洞或裂紋。為進一步證明熱循環試驗對連接界面的影響，專門制備了拉力值30g左右的弱連接焊點。圖5是拉力值30g左右弱連接焊點焊態和熱循環態連接界面剝離形貌。可以看出，焊態焊點連接界面壓痕淺，基本沒有焊點剝離殘留現象。熱循環態焊點連接界面剝離后殘留痕跡清晰，殘留面積增大，且隨熱循環次數的增多，焊點殘留形狀趨于規則。這種現象表明進行熱循環試驗后，焊點界面連接點數量有所升高。圖6是拉力值30g左右弱連接焊點焊態和熱循環態的平均拉力值變化趨勢。可以看出，在進行熱循環試驗后，焊點平均拉力值有所升高，且隨熱循環次數的增多，焊點拉力升高值逐漸增大。

圖5 拉力值30g左右弱連接焊點界面剝離殘留形貌

圖6 弱連接焊點焊態和熱循環態的平均拉力值

2.2 焊點拉力及斷裂模式

較優參數焊點焊態和熱循環態的平均拉力值如圖7所示。從圖7中可以看出，焊點平均拉力值變化范圍約為10g，沒有規律可循。圖8為焊態和500次熱循環態焊點拉伸斷口宏觀形貌。可以看出，拉力測試時，焊點兩側少部分連接界面先發生了金帶剝離，隨后金帶頸縮，沿焊點中部未剝離部位發生斷裂。由于焊點的斷裂模式均為金帶頸部斷裂，所以圖7所示焊態和熱循環態焊點的平均拉力值，實際上為焊態和熱循環態金帶的平均拉力值。

兩種狀態金帶拉力值存在差異，主要由熱循環試驗對金帶的損傷程度不同所引起。根據熱應力理論，無外力作用條件下，當溫度變化所引起的膨脹或收縮受到約束時，會在物體內產生熱應力。同時，在同一物體內部，如果溫度的分布不均勻，雖然不受外界約束，但由于各處的溫度不同，每一部分因受到不同溫度的相鄰部分的影響，將產生不同的自由伸縮，也會在物體內部產生熱應力[15]。熱循環試驗時，一方面當溫度由低到高或由高變低時焊點附近金帶的膨脹或收縮會受到焊點的約束作用，導致焊點附近金帶產生熱應力。另一方面，高低溫轉換在1分鐘內完成，溫度變化速率較快，導致在高低溫轉換過程中金帶溫度分布不均勻，會在金帶內部產生熱應力。

圖9所示為數值模擬獲得的熱循環500次焊接結構的熱應力分布云圖。從圖9中可以看出，熱循環試驗時金帶受到熱應力的作用，焊點附近金帶上熱應力約為0.89MPa，其他部位應力約為3.3×10-3MPa。焊點附近金帶上存在的熱應力可能對金帶頸部產生損傷，由于熱循環態不同的熱循環次數對不同試驗組金帶的熱應力存在差異，加之焊態各對照組金帶抗拉力也不可能完全一致，導致測試獲得的兩種狀態金帶拉力值有較小差異。

圖7 較優參數焊點焊態和熱循環態平均拉力值

圖8 焊點拉伸斷口宏觀形貌

圖9 熱循環500次焊接結構應力場分布數值模擬云圖

分析認為，金帶與基板鍍金層的連接過程，屬于同種金屬連接。在熱循環試驗中，一方面兩種材料之間不會因熱膨脹系數的差異發生熱失配現象，焊點內部不會受交變熱應力的累積損傷。另一方面，由前述連接界面分析可知，在熱循環過程150℃溫度作用下，焊點連接界面上隨機分布的微米或納米級微孔洞的尺度會減小，這使得熱循環態焊點的界面連接率較焊態焊點界面連接率有所提高。雖然陶瓷基板鍍層材料之間的熱膨脹系數不同，熱循環過程中過渡金屬層2與鍍金層、陶瓷本體與過渡金屬層1之間會產生交變熱應力作用，但對焊點連接界面影響較小。因此可以認為，焊點在熱循環試驗條件下具備高可靠度。

2.3 焊點拉伸斷口分析

圖10是熱循環500次焊點拉伸斷口微觀形貌。從圖中可以看出，焊點一側翹起的金帶上有明顯頸縮變形痕跡，如圖10(b)所示；從圖10(c)和圖10(d)可見，焊點中部連接界面上的一部分連接點仍緊密結合，剝離界面上咬合殘留痕跡清晰。這說明焊接過程中，焊點中心散熱速度較四周慢，熱量易在焊點中心積累，使得焊點中部較四周的連接質量高。

3 結論

文中研究了金帶/陶瓷基板鍍金層互連結構較優參數單面微電阻點焊焊點在模擬空間環境熱循環試驗下的可靠性，對比分析了焊態焊點與熱循環態焊點的微觀連接界面、抗拉力、斷裂模式及斷口形貌，得出以下主要結論：1）通過熱循環試驗，使得焊點連接界面上微孔洞尺度變小。2）通過熱循環試驗，提高了金帶/陶瓷基板鍍金層互連結構單面微電阻點焊焊點的抗拉力及可靠性。

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The Effect of Thermal Cycle on The Joint Interface and Tensile Force of Gold Strip Micro-Resistance Spot Welding Joints

JIANG Ling-ling1GUO Rui-qi1LIU Gang1ZHANG Le2FAN Kai2ZHANG Yong1

(1 Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Engineering Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;2 Xi'an Branch, China Academy of Space Technology, Xi'an 710100, China)

According to the interconnection structure of gold strip/ceramic substrate gold-plated layer, single-sided micro-resistance spot welding solder joints are prepared, under the simulated space environment conditions of -65℃～150℃, temperature conversion time <1 minute, high and low temperature holding time each 15 minutes, performing 500 thermal cycle tests.With the help of a focused ion/electron dual-beam electron microscope and a tensile tester, the micro-interface, fracture mode and tensile force of the solder joints are studied, and the mechanism of changes in the joint interface of the solder joints with or without thermal cycle and the reliability of the solder joints are analyzed.The results show that during the thermal cycle process, the holes in the solder joint interface that are not in close contact, under the interface diffusion mechanism driven by the distortion energy difference, start to contact and bond with atoms from the hole neck, and the size decreases.For solder joints that have not been thermally cycled and those that have undergone thermal cycle tests, the fracture modes are all gold strip neck fractures, and the average tensile force does not change more than 10g.The difference is mainly caused by the different degree of damage to the gold strip caused by the thermal stress of the thermal cycle test.Under the conditions of the thermal cycle test of the simulated space environment, the single-sided micro-resistance spot welding joints of the gold strip/ceramic substrate gold-plated layer interconnect structure are reliable.

Gold strip; Micro-resistance spot welding; Thermal cycle; Joint interface; Reliabilit

TG407

A

1006-3919(2021)03-0053-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.03.008

2021-03-15；

2021-04-02

蔣玲玲（1996—），女，碩士研究生，研究方向：點焊接頭可靠性研究；（710072）陜西省西北工業大學友誼校區材料學院公字樓405.