微细线材微型电阻焊技术研究进展

李远波，崔志远，郭松名

（广东工业大学，广州 510006）

微连接技术在集成电路封装、电子元器件制造、微机电系统制造、医疗器械制造、仪器仪表制造、精密机械制造等领域发挥着重要作用。随着微机电系统、电子元器件和生物医疗器件等不断向小型化、复杂化、多功能化和高可靠性方向发展，对连接件性能的要求越来越苛刻，各种材料的微细线材和箔片材料被广泛应用。微细线材的微连接技术主要包括钎焊、激光软钎焊、引线键合和微型电阻焊等连接方法[1—2]，其中微型电阻焊方法（Resistance micro-welding,RMW）具有设备成本低、焊接接头可靠性高、生产效率高等优点，广泛应用于电子和医疗器件的制造。

微型电阻焊是指焊件尺寸（板厚或线径）小于0.2～0.5 mm的焊接，但它与常规电阻焊简单减小焊件尺寸不同，两者在应用领域、焊件材料、工艺参数范围、连接机理等方面均有很大差别[3—4]，微型电阻焊对温度变化更加敏感，从而国内外学者在这一领域做了大量的研究。中国是全球电子产品最大的生产国，以我国电子信息制造业中心粤港澳大湾区为例，微细线材微连接应用非常广泛，微型线材的焊接质量非常关键，直接关系到器件及整个系统的稳定可靠性，文中主要从微细线材微型电阻焊工艺、连接机理、仿真模拟、相关应用等方面对近些年研究状况进行总结及展望。

1 微型电阻焊工艺及连接机理

1.1 微型电阻点焊

微型电阻焊基本原理与常规电阻焊类似[3,5]，都是利用电流通过金属焊件的接触面产生的电阻热进行连接。以微细线材微连接采用的微型电阻点焊工艺为例，如图1所示，两个电极将焊接工件压在一起，电流通过工件时，利用工件与工件、电极与工件之间的接触电阻和自身的体电阻产生电阻热，将两个工件局部熔化，生成熔核并连接在一起[6]。现在关于微细线材微型电阻焊工艺主要有微型电阻点焊[7—15]、平行间隙焊[16—20]、微型电阻热压点焊[21]。此外，微型电阻焊焊接接头的连接机理是当前研究热点，已有的连接机理主要有固相连接、钎焊连接、熔化焊连接及组合方式。由于被焊工件尺寸小、热惯性小，对电参数和力参数的控制精度要求很高，焊接时间也会较短，一般为几毫秒至几十毫秒。微型电阻焊电源一般采用电容储能式焊接电源、高频逆变式电源、DC斩波电源或者线性电源[5]。加压机构一般采用弹簧式压力追从、伺服加压等方式，伺服加压机构能很精确地控制压力的大小以及电极的位置，实现不同的进给速度从而达到电极对工件的软接触，大大降低电极对微细线材焊接时的冲击，降低了电极的损坏率而提高了焊接质量。

图1 微型电阻焊原理示意图[5]Fig.1 Schematic diagram of resistance microwelding

Fukumoto对直径为0.4 mm的微细交叉镍线进行微型电阻点焊，提出接头拉断力（JBF）和线材压线率（Set-down）两个指标，研究了焊接电流、焊接时间和电极力对焊接质量的影响，接头搭接如图2a所示。实验发现，开始时拉断力随着焊接电流的增加而增加，但电流超过一定值后拉断力反而会降低，如图2b所示，这是因为热影响区（Heat affect zone, HAZ）发生重结晶导致材料软化。还提出了在电极力达到其设定值之前就开始通电焊接的思路，以此来优化工艺，这样可以使初始接触电阻与焊接力之间达到适当的平衡，这样既能产生足够的热量，又可以产生较大的塑性变形，挤出熔融金属来扩大结合面积，从而提高焊接强度，如图2c所示[7]。Fukumoto又对镀金镍丝、镀金镍片和裸镍丝进行了比较，发现导线表面为Au镀层时，对提高接头断裂力有很大的作用[8]。

图2 交叉镍线的微型电阻点焊[7]Fig.2 Resistance spot microwelding of crossed nickel wire

Fukumoto等[7]还发现交叉镍丝微细线的微型电阻焊过程中有液相熔融金属被挤出，最终阶段为固相连接，各阶段如图3所示。KHAN等对316LVM不锈钢线进行微型电阻点焊，发现首先线材表面发生熔化，然后熔融金属被从界面两侧挤出，最后形成熔化焊接头，其中材料电阻率的增加和焊接力的降低促进了熔化焊的趋势[9]。由此可见，材料的物理特性对接头连接机理产生很大的影响。对于异种材料，材料物理特性差异较大，系统加热不平衡会使焊接过程更复杂，如Pt线与较厚的316不锈钢（3 mm厚）连接时，焊接热量低输入时为固相连接，高输入热量则变为熔化焊连接[10]，如图4所示。

图3 交叉镍细线电阻微焊的主要阶段[7]Fig.3 Main stages in resistance microwelding of crossed fine nickel wires

Mo等将微细绝缘铜线与磷青铜薄片进行微型电阻点焊工艺试验，引入预热阶段来去除绝缘漆层。结果表明，随着焊接电流的增加，接头拉断力先增大后减小，另外在接合面没有形成焊接熔核，整个工艺阶段依次为线材变形、绝缘层熔化和移位以及固态键合，如图5所示[15]。

1.2 平行间隙焊

平行间隙焊是微型电阻焊的一种，它类似于单面精密点焊，但只生成一个熔核。An等利用平行间隙电阻焊实现了带金镀层的银线和锗太阳能电池电极银基底之间的连接，研究了焊接参数对接头性能的影响，进行了焊接工艺的优化和可靠性评估[16]。Zhang等使用平行间隙焊方法实现了可靠的铜线和金镀层的连接，焊接示意图如图6所示。该工艺的电极尖端是欧姆接触，电流导通时电极尖端产生焦耳热，在压力共同作用下实现连接[17]。

图4 接头SEM图像[10]Fig.4 SEM images of joints

王晨曦等将镀银的铜引线分别与 PCB板上的裸铜焊盘及镀锡铜焊盘进行平行间隙焊，并研究了接头特性。通过比较两种接头的焊点形态、断口形貌及界面区元素组成，发现由于Sn的局部熔化产生了毛细现象，造成焊接温度场不均匀，从而导致了引线周围裂纹的产生，对接头的强度影响很大，裂纹如图7所示[18]。

1.3 微型电阻热压点焊

微型电阻热压点焊可以实现绝缘微细铜线（电磁线）的微连接，它也是微型电阻焊的一种，采用的焊接设备及加压机构与平行间隙电阻焊类似，但电极区别较大。传统绝缘铜线电阻热压焊主要形式为有挂钩型热压焊，如图8所示[22]。Liu等也使用平行间隙焊电阻焊来实现绝缘铜线和金镀层的互联，但绝缘铜线要先除漆[20]。广东工业大学的郭松名等利用微型电阻热压点焊工艺成功实现0.1 mm的绝缘铜线与磷青铜箔的焊接，焊接示意图如图9所示，该方法在电极内部构成回路，电流流过电极尖端时产生电阻热，并在压力配合下形成良好的连接[21]。

Liu等[20]中的Cu线与镀金层的平行间隙焊中，即使在过热状态下也没有熔核，因此该工艺对Cu/Ag的连接机理为固态连接，如图10所示。郭松名等[21]中绝缘铜线与磷青铜箔的微型电阻热压点焊同样没有产生熔核，也是固相连接，如图11所示。

综上所述，因为各种微细线材材料、焊件镀层材料具有多样性，微型电阻焊的形成机理比较复杂，尤其对于异种材料来说，而连接机理的研究影响微型电阻焊的进一步应用，微型电阻焊的连接机理还需进行系统的研究并总结规律，才能制定合适的工艺参数窗口来获得高性能的接头。

图5 绝缘铜线的微型电阻焊[15]Fig.5 Resistance microwelding of insulated copper wire

图6 平行间隙焊示意图[17]Fig.6 Schematic diagram of parallel gap welding

2 微型电阻焊的仿真模拟

由于焊接方法的复杂性以及大量工艺参数之间的物理关系，往往严重依赖经验和反复试验，因此需要在焊接工艺开发中使用统计方法建立数学模型，其中电阻焊过程涉及电、热和机械相互作用，使整个焊接过程高度非线性且难以建模[23—24]。

相比常规电阻焊，微型电阻焊的仿真模拟过程影响参数更多，建模也更为复杂。LYNCH等提出响应面方法、数学建模和使用非线性实验设计的过程优化可用于提供突破性的焊接工艺，可以替代焊接重复试验[25]。CONG等为了在 300 nm 镀金石英基板上用40 μm铜线进行平行间隙焊，讨论了热输入对键合界面演变和失效模式的影响，利用ANSYS软件对引线键合过程进行仿真，发现随着热量输入的增加，结合界面面积显著增加，并且厚度急剧减小。同时，键合界面处的温度呈指数增长，而这与中间相的产生密切相关，镀金层焊点中心的温度变化如图12所示[26]。

WU等针对微型电阻焊接过程中的电流密度、温度场以及应力和应变分布很难通过实验来测量等问题，建立了1︰1的有限元模型，以此来模拟焊接过程以及在热冲击、随机振动和电热老化环境下的3个可靠性测试[27]。杨洪刚等针对镀银铜导线与可伐合金镀银连接片的焊接工艺，建立了热-电-力多物理场耦合仿真分析模型，获得了焊接过程的温度场分布，如图13所示。同时结合实验研究，得到了焊接电流对点焊接头剪切力学性能的影响规律，为镀银铜导线与可伐合金连接片的可靠连接提供理论参考和实验依据[28]。

图7 镀银的铜引线与PCB焊盘的平行微隙焊[18]Fig.7 Parallel micro gap welding of silver-plated copper wire and PCB pad

图8 绝缘铜线的挂钩型电阻热压焊[22]Fig.8 Hook-type resistance thermocompression welding of insulated copper wire

图9 电阻热压焊焊接示意图[21]Fig.9 Schematic diagram of resistance thermocompression welding

图10 Cu/Au接头的纵向截面[20]Fig.10 Longitudinal section of Cu/Au joints

图11 不同焊接压力下的绝缘铜线电阻热压点焊接头横截面[21]Fig.11 Cross-sections of insulated copper wire resistance thermocompression welding joints under different welding pressures

图12 镀金层焊点中心的温度变化[26]Fig.12 Temperature variation at the solder joint center of gold plated layer

在电阻焊过程中，接触电阻作用十分重要。TAM等对镍钛诺线进行微型电阻焊并分析了接触电阻的变化。发现镍钛诺的假弹性特性在焊接电流开始期间对接触电阻有很大的影响。与焊接 316LVM 不锈钢交叉焊线相比，镍钛诺交叉焊丝在RMW期间的动态电阻和位移测量值显著不同[29]。Mo等建立了线与薄片的微型电阻焊的模型，模型采用耦合热电机械分析，并考虑了材料的温度相关热物理性质、接触电阻和塞贝克效应等因素的影响，发现钼电极与铜线之间的界面温度高于接合面。预测的热分布与实验数据非常吻合，说明所提出的模型可以应用于预测焊接参数的影响[30]。

图13 焊接温度场分布（℃）Fig.13 Distribution of welding temperature field

BABU等将接触界面的电阻定义为被测量的跨界面施加压力的函数。利用有关体电阻率与机械性能温度依赖性的已知信息，使用曲线拟合程序来建立所需的接触电阻与压力和温度的关系。该经验模型与低压力状态下的接触电阻值非常吻合，但在高压下，接触电阻预测值较低，这是因为接触界面处粗糙度的应变硬化。该模型为将接触电阻的压力和温度依赖性纳入电阻点焊的过程模型提供了合适的方法[31]。模型仿真结果表明，随着时间的推移，电极/薄板和薄板/薄板界面电阻的变化会影响熔核的形成和增长[32]。

在焊接过程的数值仿真中还需考虑焊接电极的形状与磨损、焊机的机械及电气特性、电流波形、接头截面上的电流和电极力的分布以及热、电、力和冶金现象之间的交互作用等多种影响因素[33]。

3 微型电阻焊的相关应用

3.1 电子封装和电气互连

微细铜线和金线微连接工艺广泛用于系统集成电子封装及电气互连领域，如传感器、线圈、智能手机喇叭、贴片电感、IC封装等行业，如图14所示。现在铜线键合已逐渐取代了大多数商用电子器件中的金线键合。不仅是因为铜线降低电子封装成本（用铜代替金线可节省 20%的成本）的驱动机制，而且铜比金的材料性能更优，例如，铜线具有更低的电阻率、更高的热导率、更高的抗拉强度和更高的弹性模量[34—35]。虽然铜线相对金线有很大的优势，但是铜线键合仍面临问题，如裸 Cu线易腐蚀且在封装过程中会出现引线扫掠（Wire sweeping）和导线短路的问题，而绝缘铜线键合工艺可以很好解决这些问题[36]。

图14 微型电阻焊在电气互连中的应用Fig.14 Application of resistance microwelding in electrical interconnection

王晨曦[18]指出平行间隙焊焊接铜线时，过热输入和过大电极力会使镀层起皱或熔化，从而接头力学性能急剧下降。对最优参数接头进行热冲击、随机振动和电老化的可靠性测试，结果表明，500次热冲击后，接头强度有所下降，而随机振动未对强度产生变化。电老化时长为360 h时，键合界面变形并出现裂纹，到达720 h时，接头完全失效。

平行间隙焊虽能实现绝缘铜线的异种金属单面焊接，但是仍需要预先去除绝缘漆膜，增加了工序和成本。Mo[15]引入预热阶段，对绝缘铜线去除漆层，但该工艺属于双面焊范畴，而元件尺寸愈来愈小型化，限制了在该领域的应用，对此单面焊工艺的开发与应用便尤为重要。郭松名[21]开发微型电阻热压点焊工艺，以焊接微细绝缘铜线。电流流过电极体尖端产生电阻热，在电极力和电极尖端输入热量共同作用下，实现了微连接。通过拉剪实验和金相观察，证明此方法可以实现固相键合，获得良好的焊接接头。图15为采用微型电阻热压点焊方法实现网络滤波器微细电磁线微连接的案例。

图15 网络滤波器Fig.15 Network filter

3.2 植入式医疗器件

植入式医疗器件是医疗保健行业的关键器件，如血管支架、心脏起搏器、导尿管等，由于该器件在人体内工作，要求采用细小并且具有生物相容性的材料及高可靠的连接工艺。微电阻焊工艺在该领域应用非常广泛。常用的集中材料有316 LVMSS（316 low-carbon vacuum melting stainless steel）、TiNi形状记忆合金及钛合金等，装置层面可植入材料及应用如表1所示[37]。

Zhou和FUKUMOTO等对以上可植入材料的微型电阻焊做了比较深入的研究，依据焊接区的组织和接头的力学性能对微型电阻焊工艺进行优化，分析了微型电阻焊接头的组织特征，发现焊接接头的组织形态和材料的物理特性有关，指出电极粘连是微型电阻焊遇到的重要问题[11—12,38—40]。

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

HUANG等对交叉的Pt-10Ir和316LVM不锈钢丝进行微型电阻焊，通过检查表面形态、横截面、接头断裂力和测量微型电阻焊动态电阻，研究了在不同电极压力下的接头性能。在低电极压力下观察到电极粘附和熔融金属过度排出，但在较高电极压力下产生了裂纹和缺口的接头。此外，还对单脉冲接头进行了分析，提出了多脉冲的新工艺。该工艺改善了接头表面质量，同时获得了接近Pt-10Ir焊丝拉伸强度 90%的结合强度[41]。心脏起搏器头部的 Ti丝与 Ti6Al4V终端的微型电阻焊如图16所示[6]。

图16 心脏起搏器头部的Ti丝与Ti6Al4V终端的微型电阻焊[6]Fig.16 Resistance microwelding of Ti wire of pacemaker head and Ti6Al4V terminal

4 结语

近些年来国内清华大学、哈工大、南昌航空大学、华南理工大学、广东工业大学等科研院所都在微型电阻焊领域做了大量富有开创性的工作，但在微细线材的微型电阻焊的接头形成机理、新型焊接工艺开发、过程仿真与监控等方面，与国外同行相比还有较大差距，主要反映在没有形成系统化的研究体系，笔者建议今后的研究应致力于以下几个方面。

1）研发相关微型电阻焊设备，提高制造精度水平。应用最新电力电子技术、数字化智能控制技术研制输出精度高、响应速度快的新型电源和全闭环控制的伺服加压机构，同时针对微型电阻焊的特点及具体应用，研究电极材料及其形状尺寸对接头质量的影响规律。

2）微型电阻焊连接机理的系统性研究。确定线材与片材、线材与线材等焊接机理，研究镀层金属对接头界面和质量的影响。

3）材料的焊接性。开展各种类型规格微细线材、不同镀层焊件的可焊性研究，建立完善的工艺数据库，尤其是电子与生物医疗器械领域。

4）微型电阻焊过程的仿真模拟。建立交叉线材、线材-板材、平行微隙焊、微型电阻热压点焊的焊接过程数学模型，优化焊接工艺。

5）国内研究人员应积极参与有关微型电阻焊工艺和设备通用标准的制定工作。