鉑/鉑銥合金平行間隙焊

秦 歌，李娟娟，王 冠，程丹佛

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454000）

鉑/鉑銥合金平行間隙焊

秦 歌，李娟娟，王 冠，程丹佛

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454000）

生物電極中微導線的引出質(zhì)量決定其使用可靠性。建立硅基生物電極鉑薄膜和鉑銥合金線平行間隙焊過程的有限元模型，研究焊接參數(shù)（焊接時間、焊接電流、電極間隙、電極寬度及電極壓力）對焊接過程的影響，探討鉑薄膜和鉑銥合金線的連接機理。結(jié)果表明，對焊接過程影響最大的是電極壓力、電極間隙和焊接電流，影響最小的是焊接時間和電極寬度；焊接最高溫度集中于電極頭之間的微導線上部，鉑薄膜和鉑銥合金線交界區(qū)域溫度為600 K以下，遠低于其熔點溫度，接觸處的材料并未熔化產(chǎn)生熔核，只能使周圍原子具有一定的擴散能力。因此鉑薄膜和鉑銥合金的連接形式為無熔核的擴散再結(jié)晶連接，即固態(tài)鍵合（Solid state bonding），從而達到了原子間的結(jié)合。

生物電極；鉑薄膜；鉑銥合金線；平行間隙焊；有限元

0 前言

近年來，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開始越來越多地關(guān)注微加工生物電極在臨床醫(yī)學中的應用[1-2]。為保證微電極在人體中長期植入的生物相容性、導電性、耐腐蝕性和穩(wěn)定性，常采用導電性、耐腐蝕性和生物相容性良好的Pt、PtIr10作為生物電極金屬薄膜和導線的材料。在生物電極的制造過程中，微導線和生物電極上金屬薄膜的連接質(zhì)量是決定生物電極可靠性最重要的一個環(huán)節(jié)。由于Pt和PtIr10材料的高熔點和生物電極對生物相容性和連接可靠性的要求，MEMS工藝中常用的超聲壓焊[3]工藝主要適合于至少一種為低硬度或低熔點材料的連接；此外，激光焊[4-5]在焊接時由于激光熱量較大，會使熱膨脹系數(shù)和收縮率不同的Si基底和納米級厚度的Pt薄膜在焊接過程中Pt薄膜受熱后起皺或者被打碎；錫焊需引入焊料，無法保證材料的生物相容性，因此都不適合于薄膜和微導線的連接。

平行間隙焊是電阻點焊的一種，利用電流流過焊件及接觸處所產(chǎn)生的電阻熱將焊件局部加熱到塑性或熔化狀態(tài)，在壓力下形成焊接接頭，主要適用于以硅片、玻璃或者壓電陶瓷為基底的金屬薄膜焊點與外引線之間的焊接[6-7]，常用的焊接材料有Cu、Au、Al和Ag等。在硅基電極中，Pt薄膜的厚度在納米級、微導線PtIr10導電性好、熔點高，其連接是否可以采用間隙焊的方式進行、焊接連接的強度如何，則并不可知。

本研究通過有限元軟件COMSOL Multiphysics分析植入式生物微電極的Pt薄膜和PtIr10微導線的平行間隙焊原理，研究影響焊接強度的因素。

1 數(shù)學模型

1.1 電場模型

根據(jù)Laplace方程，可得到焊接區(qū)域的電場控制方程

式中φ為電場的電勢（單位：V）；σ為材料的電導率（單位：Ω·m）。

1.2 溫度場模型

在傳熱理論中，采用有內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)的熱傳導方程描述三維瞬態(tài)熱傳導問題的溫度分布

式中ρ為密度（單位：kg/m3）；c為材料比熱容[單位：J/（kg·k）]；k為導熱系數(shù)[單位：W/（m·K）]；Q為內(nèi)部熱源強度（單位：J）。

1.3 應力應變場模型

焊接時的變形為固體的熱彈塑性變形，在高溫下會進入塑性狀態(tài)。固態(tài)區(qū)的應力、應變服從熱彈塑性理論，根據(jù)等向強化Von Mise屈服準則和流動增量理論，推導出材料依賴于溫度的熱彈塑性增量應力應變之間的關(guān)系：

式中dσ為應力增量；dε為應變增量；[D]ep為彈塑性矩陣；[De]為彈性矩陣；{α}為線膨脹系數(shù)向量。在彈性區(qū)，[D]ep=[De]；在塑性區(qū)，[D]ep=[De]-[D]p。

1.4 接觸電阻模型

接觸電阻是影響焊接過程中熔核形成及質(zhì)量、電極頭磨損等的重要因素之一，電極和微導線之間的接觸面內(nèi)的電分布及接觸電阻大小直接影響初始溫度場的分布情況，對于導電性和導熱性好的材料，接觸電阻對熱場的分布影響更大。參考文獻[8]，接觸電阻有如下關(guān)系式

式中ρc為界面接觸電阻率（單位：Ω·m）；F為電極壓力（單位：N）。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

應用COMSOL有限元軟件建立平行間隙焊模型，對其進行電-熱-固多場耦合分析，模型如圖1所示，其中電極頭為Cu-Cr電極，Pt薄膜厚度400 nm，微導線PtIr10直徑75 μm。

2.2 邊界條件及載荷

分析電熱耦合時，環(huán)境溫度為室溫（T0=25℃）；兩個電極頭端面上的所有節(jié)點都具有相同的電壓值，在其中一個電極頭上施加電流；電極頭、薄膜和微導線的表面為空氣對流散熱和熱輻射散熱；在所有的接觸面上存在電熱效應，定義其為第二類邊界條件，其他邊界為絕熱邊界和自由邊界。熱固耦合分析時，在兩電極頭上端面均勻施加向下的電極壓力，對電極頭施加水平位移量為0的約束；在每個接觸面上施加第一類邊界條件，其邊界上所有節(jié)點的垂直位移量為0，以熱場分析的結(jié)果為力場的熱載荷，進行分析求解。設循環(huán)時間為0.2 ms，焊接持續(xù)時間最長為400 ms。

間隙焊過程分析的邊界及加載條件如圖2所示。

圖1 平行間隙焊模型Fig.1 Model of parallel gap welding

圖2 邊界條件及載荷Fig.2 Boundary condition and loading

3 計算結(jié)果及討論

3.1 焊接時間對焊接過程的影響

焊接時電極頭、微導線和Pt薄膜溫度場分布的模擬結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯附訒r產(chǎn)生的大部分熱量集中在微導線和兩電極頭之間的區(qū)域，最高溫度分布在微導線位于兩電極壓頭之間的上部區(qū)域；在逐漸接近Pt薄膜的位置，微導線的溫度逐漸下降；在Pt薄膜和微導線的交界處，溫度降至600 K以下，而Pt和PtIr10的熔點都在1 700℃以上，因此金屬在交界處不可能發(fā)生熔融。焊接的最高溫度集中在兩電極壓頭之間的微導線的上部，主要是微導線的電阻最小、大多數(shù)電流集中流經(jīng)此處造成。焊接過程中不同時刻焊接區(qū)的溫度分布結(jié)果如圖4所示。

圖3 焊接時電極頭、微導線和Pt薄膜上溫度分布（電極間隙0.2 mm，電極寬度0.2 mm，電極壓力0.4 kg，電流0.35 mA）Fig.3 Temperature distribution of electrode heads，microwire and Pt film(electrode gap 0.2 mm，width 0.2 mm，force 0.4 kg，current 0.35 mA)

圖4 焊接區(qū)溫度隨時間的變化Fig.4 Temperature distribution at different time

由圖4可知，10ms時焊接區(qū)的最高溫度已達到模擬的最高溫度1 922 K，這說明焊接溫度的峰值是在很短時間內(nèi)形成；在微導線和Pt薄膜之間的交界處，溫度低于1 000 K以下，說明出現(xiàn)熔核的部位在兩電極壓頭之間的微導線的上部位置，而在微導線和Pt薄膜交界處并沒有熔核出現(xiàn)。焊接時在載荷作用下，隨著電極壓頭和微導線的溫度上升，電極壓頭和微導線、微導線和Pt薄膜之間的接觸程度上升，其接觸電阻下降，電流密度增加，溫度也隨之增加。因此，隨著時間的延長，焊接區(qū)周圍的溫度上升。但焊接區(qū)溫度仍低于Pt和PtIr10的熔點溫度，這說明焊接的連接并不是通過焊接交界處的金屬熔融實現(xiàn)，也說明焊接時間對焊接的連接影響不大。

3.2 電流對焊接過程的影響

焊接時的最高溫度、Pt薄膜上最高溫度和施載電流之間的關(guān)系如圖5所示。隨著焊接電流的升高，焊接區(qū)最高溫度增加較大；Pt薄膜上最高溫度受焊接電流的影響較小，其值略微增加，變化不大，溫度約低于400 K。焊接電流的增加直接影響焊接區(qū)的電流密度的大小，因此對焊接區(qū)的溫度影響較大；而Pt薄膜由于尺寸較?。?00 nm），其內(nèi)部電流密度非常小，焊接電流的改變對其電流密度幾乎沒有影響。

3.3 電極間隙對焊接過程的影響

電極頭之間的間隙對焊接區(qū)溫度的影響如圖6所示。隨著兩電極頭之間的間隙增大，焊接區(qū)最高溫度反而下降，下降速度很快；Pt薄膜上的最高溫度值也略微下降，其值變化不大，約低于500 K。這是因為電極頭之間間隙的改變影響了兩電極之間的焊接區(qū)域內(nèi)的電流分布的體積，隨著電極頭間隙的增加，其之間的焊接區(qū)增大，加載相同的電流，電流密度下降，因此導致溫度下降；同樣，由于Pt薄膜尺寸較小，其電流密度變化不大，溫度變化也不大。

圖5 電流和焊接區(qū)溫度的關(guān)系（電極間隙0.2 mm，電極寬度0.2 mm，電極壓力0.4 kg）Fig.5 Relationship between current and temperature of the weld zone（gap 0.2 mm，width 0.2 mm，force 0.4 kg）

圖6 焊接電極頭間隙和焊接區(qū)溫度的關(guān)系（電極寬度0.2mm，電極壓力0.4 kg，電流0.35 mA）Fig.6 Relationship between electrode gap and temperature of the weld zone(width 0.2 mm，force 0.4 kg，current 0.35 mA)

3.4 電極寬度的影響

電極頭寬度對焊接溫度的影響如圖7所示。可以看出，電極頭寬度的變化對焊接區(qū)最高溫度和Pt薄膜上最高溫度幾乎沒有影響，其主要原因是電極頭寬度只影響電極頭和微導線之間的接觸電阻、電極頭的壓力，加載相同的電流時，對分布在微導線兩電極之間部分的電流密度分布情況影響很小，因此溫度變化不大。

3.5 電極頭壓力的影響

施加在電極頭上的載荷主要影響焊接時微導線的變形和接觸面的接觸電阻，接觸電阻的變化導致接觸界面上溫度發(fā)生變化，接觸部位溫度的變化又會導致此部位變形程度發(fā)生變化。因此，電極頭壓力對焊接區(qū)的變形影響最大。焊接時在載荷下電極頭、微導線和Pt薄膜的變形模擬如圖8所示。由圖8可知，變形最大的為電極壓頭，其次為電極壓頭下的微導線，電極壓頭之間的微導線在熱作用下也有較大變形；Pt薄膜的變形最小，其變形量一般為幾納米。

圖7 焊接電極頭寬度和焊接區(qū)溫度的關(guān)系（電極間隙0.2 mm，電極壓力0.4 kg，電流0.35 mA）Fig.7 Relationship between electrode width and temperature of the weld zone(electrode gap 0.2 mm,force 0.4 kg, current 0.35 mA)

微導線在電阻熱的作用下受熱發(fā)生變形，其變形情況由所受載荷的大小決定。不同載荷時與壓頭接觸處的微導線變形情況如圖9所示。由圖9可知，隨著載荷的增大，微導線先發(fā)生正向位移，其中微導線在兩電極中間的部位發(fā)生的位移較大，主要是因為此部位受熱較導線上的其他部位大、且不受載荷壓力的緣故。當加載載荷達到0.4 kg時，微導線在電極壓頭的壓力下開始產(chǎn)生負位移，即尺寸縮小，電極壓頭下的微導線尺寸縮小了14.2 μm，電極壓頭之間的微導線受兩邊微導線收縮的影響，尺寸也縮小了3 μm；當載荷增加到0.5 kg時，電極壓頭下的微導線尺寸縮小了142 μm，微導線中間部位尺寸縮小了30 μm。本研究中微導線的直徑為75 μm，因此在模擬計算時，當微導線在壓力作用下產(chǎn)生的收縮量超過75 μm時，可認為焊接失敗。

圖8 焊接時焊接區(qū)變形（電極寬度0.2 mm，電極間隙0.2mm，電極壓力0.5 kg，電流0.35 mA）Fig.8 Deformation of the weld zone(electrode width 0.2 mm，electrode gap 0.2 mm，force 0.5 kg，current 0.35 mA)

圖9 不同電極頭壓力時微導線頂部變形量（電極寬度0.4 mm，電極間隙0.2 mm，電流0.35 mA）Fig.9 Deformations on the upper region of the microwire under different forces(electrode width 0.4 mm，electrode gap 0.2 mm，current 0.35 mA)

4 結(jié)論

采用平行間隙焊連接硅基電極上Pt薄膜和PtIr10微導線時，對焊接過程影響最大的是電極壓力、電極間隙和焊接電流，影響最小的是電極寬度和焊接時間，焊接變形主要發(fā)生在電極頭下的微導線處。焊接時，焊接區(qū)的熱量和溫度最高區(qū)域集中在微導線和兩電極頭之間，Pt薄膜和PtIr10微導線接觸處溫度在600 K以下，遠低于Pt和PtIr10合金的熔點溫度，交界區(qū)域不會形成熔核。因此，平行間隙焊不會造成Pt薄膜的變形和破裂，其連接并未使接觸處的材料產(chǎn)生熔化，而只能使其原子具有了一定的擴散能力，連接處的金屬原子擴散再結(jié)晶，在載荷下達到了原子間的結(jié)合，即固態(tài)鍵合（Solidstatebonding）。

[1]張冠石.神經(jīng)介入治療：生物電極[J].中國醫(yī)療設備，2012， 27（12）：84-87.

[2]Charkhkar H，Knaack G L，Gnade B E，et al.Development and demonstration of a disposable low-cost microelectrode array for cultured neuronal network recording[J].2012，161（1）：655-660.

[3]Xin Wu，Teng Liu，Wayne Cai.Microstructure，welding mechanism，and failure of Al/Cu ultrasonic welds[J].Journal of Manufacturing Processes，2015（20）：515-524.

[4]張萍萍.焊接技術(shù)概論[J].科技向?qū)В?011（29）：71-71.

[5]Hongze Wang，Yansong Zhang，Shuhui Li.Laser welding of laminated electrical steels[J].Journal of Materials Processing Technology，2016（230）：99-108.

[6]曾樂，石小平，張洪權(quán).硅太陽電池方陣組裝的平行間隙電阻焊技術(shù)及其連接本質(zhì)[J].焊接，1993（3）：2-5.

[7]Fendrock J J，Hong L M.Parallel-gap welding to very-thin metallization for high temperature microelectronic interconnects[J].IEEE Trans on Comp，Hybrids，Manuf.Technology，1990，13（2）：376-382.

[8]Han Z，Orozco J，Indacochea J E，et al.Resistance spot welding：a heat transfer study[J].Welding Journal，1989，68（9）：363-371.

The parallel gap welding process of Pt/PtIr10

QIN Ge，LI Juanjuan，WANG Guan，CHENG Danfo
（School of Mechanics and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

The extraction quality of microwire of bio-electrodes decides their operational reliability.A finite element analysis model was established for parallel gap welding process of PtIr10microwire and Pt film on Si substrate of bio-electrodes.The influence of welding parameters-welding time，current，gap，electrode width and force was investigated.Finally，the bonding mechanism of PtIr10microwire and Pt film was discussed.The results show that the important influencing factor are force，electrode gap and current，while the smallest ones are the welding time and electrode width.The highest temperature is concentrated in the upper region of the wire between the electrode heads，while the temperature at the juncture of Pt film and PtIr10wire is below 600 K，which is lower than their melting points，so the parallel gap welding wouldn't melt the materials at the juncture and it makes the surrounding atoms have a certain ability to spread.Therefore，the connection form is a diffusion recrystallization bonding manner(bonding of state)without nugget and to reach the bonding among atoms.

bio-electrodes；Pt film；PtIr10wire；parallel gap welding；finite element

TG457.1

A

1001－2303（2016）12－0112-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.25

獻

秦歌，李娟娟，王冠，等.鉑/鉑銥合金平行間隙焊[J].電焊機，2016，46（12）：112-117.

2016-01-25

國家自然科學基金項目（51105134）；國家“863”計劃項目（2006AA04Z370）；河南理工大學博士基金項目（B2012-053）

秦歌（1975—），女，河南新鄉(xiāng)人，副教授，博士，主要從事微細與特種加工技術(shù)的研究工作。