焊接压力对漆包线铜箔单面点焊接头质量的影响

2018-12-13郭松名李远波吴德成

电焊机 2018年11期

郭松名，李远波，袁甜，吴德成

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

0 前言

漆包线（也称电磁线）广泛应用于电子、医疗器具和半导体的生产中（如传感器、变压器、芯片互连引线等），充当内部元件和作为元器件内外连接介质，起到重要的导电介质作用[1]。在内部连接时，漆包线要与金属引脚实现电气连接，其余部分应当保留漆膜，以防止与其他引脚接触产生短路或者漏电。

漆包线微连接的方法包括钎焊、超声热压焊、激光软钎焊和微型电阻焊等。微型电阻焊具有易实施、低成本和易于实现自动化生产等优点，被广泛应用于微电子器件的焊接[2]。本研究采用微型电阻焊方法对直径0.1 mm的漆包线和0.2 mm厚的铜箔进行单面点焊试验，在焊接电流、焊接时间一定的条件下，研究不同的焊接压力对焊接质量的影响规律。主要从焊点外观尺寸、接头断裂方式和拉断力等方面对焊接质量进行研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

漆包线选用P155p级改性聚氨酯漆包线，裸线直径0.10 mm，漆膜平均厚度15 μm，具有直焊性，拉伸后线材致密。基底铜箔选用工业级磷青铜箔，尺寸18 mm×7 mm×0.2 mm，化学成分如表1所示，磷青铜箔表面电镀有Sn镀层，厚度3μm，中间层Ni厚度 3 μm。

表1 磷青铜箔的化学成分 %Table 1 Chemical composition of phosphor bronze foil

漆包线的微型电阻焊对焊接电极有特定的要求。电极尖端以设定的压力压住漆包线后焊接电源放电，电极尖端瞬间流过强大电流，温度急剧上升，从而产生点焊所需热量，因此选取高电导率的钨合金作为电极材料，制成如图1所示形状的钨合金电极。

图1 电极示意Fig.1 Schematic of electrode

1.2 试验设备与方法

试验设备采用自行研制的微型电阻焊电源，输出精度高、动态响应速度快[3]。其中，逆变频率为5 kHz，最大输出电流1 kA，调节精度为1 A，焊接时间调节精度为1 ms。焊接加压机构采用弹簧随动脚踏加压式，最大设置压力为70盎司（19.8 N）并连续可调。

漆包线铜箔单面点焊试验的焊接方法如图2所示。通过踏板使电极压力FE达到预先设定的焊接压力时，触发焊接电源放电，实现微型电阻点焊。电源输出电流为单脉冲直流波形，微型电阻点焊过程分为预压、焊接、保压冷却3个阶段，电流及压力时序如图3所示。

图2 焊接示意Fig.2 Schematic of welding

图3 电流及压力时序Fig.3 Current and pressure timing

漆包线铜箔单面点焊试验通过检测接头拉断力和焊点表面状况来评判其焊接质量[4]。使用CMT8501万能试验机测试接头拉断力。测试方法如图4所示，将铜箔一头安装在试验机基座，另一头的漆包线安装至试验机上方线夹具上，以10 mm/min的速度进行拉伸，同时记录断裂失效的拉力值及失效形式。焊接接头的失效形式可分为线材断裂和焊点脱落两种，如图5所示。

图4 拉断试验示意Fig.4 Schematic of tensile test

用5 400万像素的超景深三维光学显微镜（VHX-600，Keyence Corporation，Japan）观察焊点外观形貌和金相组织，焊点长度L、宽度W的测量如图6所示。采用热压镶嵌的方法制成金相样品，金相样品以垂直线材方向为横截面制样，抛光后选用FeCl3溶液腐蚀样品，15 s后在显微镜下观察。金相制作示意如图6所示。

图5 接头失效形式Fig.5 Joint failure modes

图6 焊点尺寸测量及金相制作示意Fig.6 Solder joint size measurement and metallographic production

2 试验结果与分析

通过前期试验设定焊接电流370 A、焊接时间20 ms，焊接压力从36盎司（10.2 N）增加到54盎司（15.3 N），共分为10组，每组进行5次试验，测量焊点宽度和长度，记录每次试验的接头拉断力及断裂方式，焊点宽度、长度及拉断力均取平均值作为结果数据，如表2所示。使用Origin软件处理数据得出理想的曲线模型，接头拉断力、焊点宽度、长度随焊接压力增加的变化规律如图7～图9所示。

表2 试验结果数据Table 2 Data of the test results

图7 焊接压力对接头拉断力的影响Fig.7 Effects of welding pressure on joint breaking force

图8 焊接压力对焊点宽度的影响Fig.8 Effects of welding pressure on solder joint width

由图7可知，在焊接电流、焊接时间一定的条件下，随着焊接拉力从36盎司（10.2 N）递增到46盎司（13 N），拉断力持续增大且达到峰值，继续增加焊接压力，接头拉断力开始减小。焊接压力在46盎司（13 N）以下时，其失效形式大部分为焊点脱落；压力为44盎司（12.45 N）时，仅有两次测试为线材断裂；焊接压力大于46盎司（13 N），样品焊接质量已经达到较好效果，95%以上的失效形式为线材断裂。压力为46盎司（13 N）样品仅出现一次焊点脱落，满足焊接稳定性的要求。

图9 焊接压力对焊点长度的影响Fig.9 Effects of welding pressure on solder joint length

由图8可知，焊接压力从36盎司（10.2 N）增大到54盎司（15.3 N），焊点宽度总体保持增加趋势。当焊接压力为 36～48盎司（10.2～13.6 N）时，焊点宽度随焊接压力的增大而显著增加；继续加大焊接压力，焊点宽度增幅明显变缓。由图9可知，焊点长度随着焊接压力增大的变化幅度很小，保持一定幅度的波动[5]。

随着焊接压力的增大，由于漆包线铜芯的径向束缚，焊点长度变化不明显，主要取决于焊接电极的结构和形状。但是随着压力增大，通过电极施加在漆包线的机械力增强了漆膜压碎作用，提高漆膜去除率；其次漆包线随着压力增大而被压得越扁平，焊点宽度加宽，电极和漆包线的接触面积增大，更多有效的焊接热量先烧蚀漆膜然后从铜线传递到铜箔；最后，随着压力增大，漆包线和铜箔结合得越紧密，产生的热量也更容易从电极尖端向漆包线和铜箔传递，促进焊点结合力，所以焊接后接头拉断力会增大。根据公式

式中 F为接头拉断力；σ为键合强度；A为键合面积[6]。在压力较小时，焊接电极对铜线的作用力较小，焊接时形成的焊点宽度和面积就小，反之，焊点宽度和面积大。而焊点面积决定了键合面积，根据式（1）可知，由于键合强度σ取决于材料，焊接压力越大，键合面积越大，所以接头拉断力越大。焊接压力达到48盎司（13.6 N）以上，再增大压力，则接头拉断力开始下降，此时的失效模式均为线材断裂。这是因为焊接电极将漆包线压得过薄，并且电极尖端对线材的剪切应力较大，在压塌焊点与线材过渡区产生缺口，导致拉断力逐渐下降。

为了更好地评价焊接质量，选取一组不同焊接压力下的接头图片，如图10所示。不同焊接压力下的接头外观质量好，脱漆程度高，焊接电极产生的热量使压塌的漆膜直接汽化，焊点附近漆包线上的漆膜在高温下迅速向两端回缩；焊点处未产生严重塑性变形、氧化发黑、焊点炸裂、电极粘连等焊接缺陷[5]。此外，从焊点的热影响区来看，焊接压力为46盎司（13 N）的热影响区大于其他焊接压力下的热影响区，这间接说明焊接压力为46盎司（13 N）时有效焊接能量最大，焊点结合力更强，拉断力处于峰值阶段。

图10 不同焊接压力下的接头外观Fig.10 Views of joints made with different welding pressure

选取焊接压力为46盎司（13 N）的金相样品进行观察，如图11所示。可以看出，铜线在焊接过程中发生塑性变形，形状由椭圆变得扁平；由于Sn的熔点远低于Cu，焊接后结合处的Sn熔化与铜线形成软钎焊接头；在压力作用下Sn层被挤压到线材两侧，在两侧形成光滑的圆角，铜线直接与硬度、熔点更高的Ni层固相键合，结合处存在明显的Ni层界线，整体实现漆包线和铜箔“软钎焊-固相键合”接头。熔化的Sn在铜线两侧形成的过渡圆角可显著提高接头拉断力[6]。

图11 金相组织Fig.11 Metallographic structure

在生产实践中，漆包线的微连接不仅追求高的接头抗拉强度，还追求良好的焊点外观。由试验数据可知，焊接压力在 44盎司（12.45N）、46盎司（13N）、48盎司（13.58 N）时，接头拉断力分别为0.883 46 N、0.94316 N、0.93054N，焊点宽度分别为 183.526 μm、202.066 μm、206.77 μm。对拉断力而言，漆包线自身线材拉断力为1.4 N，焊接后的焊点拉断力达到母材拉断力的约65%，焊点宽度约为漆包线母材线径的1.7～1.9倍，满足实际生产中漆包线微连接稳定性的要求。