熱循環(huán)對(duì)金帶微電阻點(diǎn)焊接頭連接界面及抗拉力的影響

蔣玲玲 郭芮岐 劉剛 張樂(lè) 樊凱 張勇

熱循環(huán)對(duì)金帶微電阻點(diǎn)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(lè)2樊凱2張勇1

（1 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100）

針對(duì)金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結(jié)構(gòu)，制備單面微電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，在模擬空間環(huán)境溫度交替變化的條件下，即-65℃～150℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間＜1分鐘，高低溫保溫時(shí)間各15分鐘，進(jìn)行500次的熱循環(huán)試驗(yàn)。借助聚焦離子/電子雙束電鏡和拉力測(cè)試機(jī)，研究焊點(diǎn)的微觀界面、斷裂模式及抗拉力，分析有無(wú)熱循環(huán)焊點(diǎn)連接界面變化機(jī)理及焊點(diǎn)的可靠性。結(jié)果表明，熱循環(huán)過(guò)程中，焊點(diǎn)連接界面上未緊密接觸的孔洞，在畸變能差驅(qū)動(dòng)的界面擴(kuò)散作用下，從孔頸處開(kāi)始接觸并發(fā)生原子結(jié)合，尺度減小。未經(jīng)熱循環(huán)焊點(diǎn)和經(jīng)歷了熱循環(huán)試驗(yàn)的焊點(diǎn)，斷裂模式均為金帶頸部斷裂，平均拉力值變化不超過(guò)10g，其差異主要由熱循環(huán)試驗(yàn)熱應(yīng)力對(duì)金帶的損傷程度不同引起。在模擬空間環(huán)境熱循環(huán)試驗(yàn)條件下，金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結(jié)構(gòu)單面微電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)具備高可靠度。

金帶；微電阻點(diǎn)焊；熱循環(huán)；連接界面；可靠性

0 引言

隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，惡劣的空間環(huán)境對(duì)航天器的設(shè)計(jì)提出了苛刻的要求[1-4]。特別是對(duì)其中的焊接結(jié)構(gòu)，除應(yīng)保證其力學(xué)性能滿足承載、變形等要求外，還需著重考慮空間環(huán)境因素對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響[5]。有研究表明，溫度交替變化的空間環(huán)境可能會(huì)使航天器中焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和材料尺寸發(fā)生變化[6-8]。因此航天器在發(fā)射前，必須對(duì)航天器中的焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行空間熱循環(huán)模擬試驗(yàn)，以確保其在服役環(huán)境下的可靠性[9]。

迄今已有航天器焊接結(jié)構(gòu)可靠性研究的報(bào)道。Zhang等人[10]通過(guò)模擬-40℃～125℃熱循環(huán)試驗(yàn)，分析了芯片級(jí)封裝中Sn3.5Ag0.7Cu焊點(diǎn)的失效模式。結(jié)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(shù)差異，熱循環(huán)過(guò)程會(huì)使連接界面上金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）層附近產(chǎn)生熱應(yīng)力。焊點(diǎn)的失效模式基本為最外側(cè)角點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋，裂紋萌生于焊料體，沿著IMC層擴(kuò)展。薛松柏等人[11]采用試驗(yàn)和有限元結(jié)合的方法研究了方型扁平式封裝器件焊點(diǎn)在25℃～125℃熱循環(huán)條件下的熱疲勞壽命。發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)試驗(yàn)后，裂紋在焊點(diǎn)內(nèi)側(cè)釬料與焊盤(pán)界面處萌生；焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度隨熱循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低；熱循環(huán)前焊點(diǎn)的斷裂方式為韌性斷裂，隨熱循環(huán)次數(shù)的增多，焊點(diǎn)晶粒粗化，斷裂韌窩變大，熱循環(huán)120次后的焊點(diǎn)斷裂方式主要為脆性斷裂，熱循環(huán)186次后的焊點(diǎn)為完全脆性斷裂。柳泉瀟瀟等人[12]對(duì)5052/HC420LA鋁鋼異質(zhì)材料磁脈沖焊接接頭經(jīng)高低溫循環(huán)試驗(yàn)后的性能進(jìn)行了研究。結(jié)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(shí)，不同高低溫循環(huán)次數(shù)和冷卻條件下，焊接接頭的連接強(qiáng)度相比于5052鋁合金的母材強(qiáng)度下降約5%～25%。冷卻速度越快，高低溫循環(huán)次數(shù)越多，接頭力學(xué)性能下降越明顯。綜上所述，目前針對(duì)航天器焊接結(jié)構(gòu)空間熱循環(huán)條件下可靠性的研究，主要集中在電子封裝釬焊接頭，對(duì)于微電阻點(diǎn)焊接頭鮮有報(bào)道。本文針對(duì)航天微波元器件中，采用單面微電阻點(diǎn)焊技術(shù)制備的金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連焊點(diǎn)，進(jìn)行模擬空間環(huán)境熱循環(huán)試驗(yàn)。通過(guò)拉力測(cè)試和微觀連接界面分析，研究焊點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)試驗(yàn)后的性能變化及內(nèi)在機(jī)理，對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(guò)渡金屬層—金層電鍍工藝。焊接在地面環(huán)境進(jìn)行。為了便于測(cè)試焊點(diǎn)抗拉力，采用圖1所示的金帶焊接方式和抗拉力測(cè)試方法。圖2所示為采用單面微電阻點(diǎn)焊技術(shù)制備的金帶/陶瓷基板鍍金層組合互連結(jié)構(gòu)，制備金橋時(shí)嚴(yán)格保證每個(gè)金橋兩端焊點(diǎn)位置一致。由于不能進(jìn)行原位觀察，針對(duì)不同熱循環(huán)次數(shù)，在同一塊基板上，采用相同較優(yōu)焊接參數(shù)和點(diǎn)焊電極分別制備如圖1所示的12個(gè)對(duì)照組金橋和12個(gè)試驗(yàn)組金橋，其中10個(gè)用于抗拉力測(cè)試，2個(gè)用于制備金相試樣。

圖1 金帶焊接方式和拉力測(cè)試方法

圖2 單面微電阻點(diǎn)焊制備金帶/陶瓷基板鍍金層互連結(jié)構(gòu)

本文熱循環(huán)試驗(yàn)的目的是研究太空中交替變化的溫度對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。為了排除其他因素如空間輻射、振動(dòng)等對(duì)試驗(yàn)的影響，因此熱循環(huán)試驗(yàn)不考慮其他環(huán)境因素，在地面環(huán)境條件下只模擬空間環(huán)境的溫度交替變化。依據(jù)GJB548B-2005中1010條件C，模擬空間環(huán)境熱循環(huán)試驗(yàn)條件為：-65℃～150℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間＜1分鐘，高低溫保溫時(shí)間各15分鐘，循環(huán)100次。為了研究試樣在更極端環(huán)境下的可靠性，熱循環(huán)試驗(yàn)在不改變溫度范圍、保溫時(shí)間和溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間的條件下，將熱循環(huán)次數(shù)擴(kuò)大至500次，每隔50次取出一批試樣進(jìn)行測(cè)試。

采用DAGE 4000 PLUS型拉力測(cè)試機(jī)，分別對(duì)未經(jīng)熱循環(huán)試驗(yàn)的對(duì)照組（以下稱(chēng)焊態(tài)）焊點(diǎn)和經(jīng)熱循環(huán)試驗(yàn)后的試驗(yàn)組（以下稱(chēng)熱循環(huán)態(tài)）焊點(diǎn)進(jìn)行抗拉力測(cè)試，拉伸速度為1mm/s，以焊態(tài)10個(gè)金橋的平均拉力值作為焊點(diǎn)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用Helios G4 CX型聚焦離子/電子雙束電鏡，制備焊點(diǎn)金相試樣，觀察納米尺度的連接界面和微觀組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊點(diǎn)微觀界面觀察

焊態(tài)焊點(diǎn)局部連接界面微觀形貌如圖3 a)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)連接界面清晰。連接界面上微米或納米級(jí)尺度的微孔洞隨機(jī)分布，且數(shù)量較多。500次熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)連接界面微觀形貌如圖3 b)所示?？梢钥闯觯更c(diǎn)連接界面上仍分布著數(shù)量較多的微孔洞。但與焊態(tài)焊點(diǎn)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(guò)渡金屬層2與鍍金層之間出現(xiàn)納米級(jí)的微小孔洞。

圖3 焊點(diǎn)連接界面微觀形貌

根據(jù)金屬擴(kuò)散理論，任何不均質(zhì)(包括成分、結(jié)構(gòu))材料，在熱力學(xué)允許的條件下，都將趨向于均勻化。原子在擴(kuò)散力(濃度、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等的梯度)作用下，將發(fā)生從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散行為。

圖4 Hill模型的孔洞閉合機(jī)制[13]

如圖4所示，Hill等人[13]基于金屬擴(kuò)散理論，研究同質(zhì)單相材料高溫?cái)U(kuò)散連接的孔洞閉合機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在焊接壓力和溫度的作用下，除了存在包括表面接觸時(shí)的塑性變形和蠕變（圖4中1和7）的塑性變形機(jī)制，以及包括物質(zhì)從孔洞表面曲率大處向曲率小處進(jìn)行表面擴(kuò)散（圖4中2）、從物體內(nèi)部向表面曲率大處進(jìn)行體擴(kuò)散（圖4中3）及從孔洞表面曲率大處向曲率小處進(jìn)行揮發(fā)（圖4中4）的表面源擴(kuò)散機(jī)制，還存在包括物質(zhì)從界面向孔頸處進(jìn)行晶界擴(kuò)散（圖4中5）和物質(zhì)從界面向孔頸處進(jìn)行體擴(kuò)散（圖4中6）的界面擴(kuò)散機(jī)制。界面擴(kuò)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(lái)的擴(kuò)散原子流，自動(dòng)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(shí)上，在沒(méi)有外界壓力，僅在溫度的作用下，也存在界面擴(kuò)散機(jī)制，也能使孔洞閉合，只是此時(shí)孔洞閉合有距離極限[14]。分析認(rèn)為，由于金帶塑性變形能力強(qiáng)，隨溫度升高，其變形抗力將進(jìn)一步降低。焊接過(guò)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(nèi)部畸變、位錯(cuò)、空位等各種缺陷大量堆積，使得已連接界面區(qū)的能量顯著增大，原子處于高度激活狀態(tài)。在隨后熱循環(huán)過(guò)程150℃溫度作用下，將促使金帶與鍍金層連接界面發(fā)生由畸變能差驅(qū)動(dòng)的界面擴(kuò)散機(jī)制。界面擴(kuò)散機(jī)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(kāi)始接觸，隨后逐漸發(fā)生原子結(jié)合，從而尺度減小，界面連接率提高。陶瓷基板上過(guò)渡金屬層2與鍍金層之間出現(xiàn)納米級(jí)的微小孔洞的主要原因是熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中不同材料間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致熱失配現(xiàn)象，使陶瓷基板上過(guò)渡金屬層2與鍍金層間產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，在一定熱循環(huán)時(shí)間下會(huì)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(jìn)一步證明熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)連接界面的影響，專(zhuān)門(mén)制備了拉力值30g左右的弱連接焊點(diǎn)。圖5是拉力值30g左右弱連接焊點(diǎn)焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)連接界面剝離形貌。可以看出，焊態(tài)焊點(diǎn)連接界面壓痕淺，基本沒(méi)有焊點(diǎn)剝離殘留現(xiàn)象。熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)連接界面剝離后殘留痕跡清晰，殘留面積增大，且隨熱循環(huán)次數(shù)的增多，焊點(diǎn)殘留形狀趨于規(guī)則。這種現(xiàn)象表明進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)界面連接點(diǎn)數(shù)量有所升高。圖6是拉力值30g左右弱連接焊點(diǎn)焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)的平均拉力值變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)平均拉力值有所升高，且隨熱循環(huán)次數(shù)的增多，焊點(diǎn)拉力升高值逐漸增大。

圖5 拉力值30g左右弱連接焊點(diǎn)界面剝離殘留形貌

圖6 弱連接焊點(diǎn)焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)的平均拉力值

2.2 焊點(diǎn)拉力及斷裂模式

較優(yōu)參數(shù)焊點(diǎn)焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)的平均拉力值如圖7所示。從圖7中可以看出，焊點(diǎn)平均拉力值變化范圍約為10g，沒(méi)有規(guī)律可循。圖8為焊態(tài)和500次熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)拉伸斷口宏觀形貌?？梢钥闯?，拉力測(cè)試時(shí)，焊點(diǎn)兩側(cè)少部分連接界面先發(fā)生了金帶剝離，隨后金帶頸縮，沿焊點(diǎn)中部未剝離部位發(fā)生斷裂。由于焊點(diǎn)的斷裂模式均為金帶頸部斷裂，所以圖7所示焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)的平均拉力值，實(shí)際上為焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)金帶的平均拉力值。

兩種狀態(tài)金帶拉力值存在差異，主要由熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)金帶的損傷程度不同所引起。根據(jù)熱應(yīng)力理論，無(wú)外力作用條件下，當(dāng)溫度變化所引起的膨脹或收縮受到約束時(shí)，會(huì)在物體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。同時(shí)，在同一物體內(nèi)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(chǎn)生不同的自由伸縮，也會(huì)在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力[15]。熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，一方面當(dāng)溫度由低到高或由高變低時(shí)焊點(diǎn)附近金帶的膨脹或收縮會(huì)受到焊點(diǎn)的約束作用，導(dǎo)致焊點(diǎn)附近金帶產(chǎn)生熱應(yīng)力。另一方面，高低溫轉(zhuǎn)換在1分鐘內(nèi)完成，溫度變化速率較快，導(dǎo)致在高低溫轉(zhuǎn)換過(guò)程中金帶溫度分布不均勻，會(huì)在金帶內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。

圖9所示為數(shù)值模擬獲得的熱循環(huán)500次焊接結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布云圖。從圖9中可以看出，熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)金帶受到熱應(yīng)力的作用，焊點(diǎn)附近金帶上熱應(yīng)力約為0.89MPa，其他部位應(yīng)力約為3.3×10-3MPa。焊點(diǎn)附近金帶上存在的熱應(yīng)力可能對(duì)金帶頸部產(chǎn)生損傷，由于熱循環(huán)態(tài)不同的熱循環(huán)次數(shù)對(duì)不同試驗(yàn)組金帶的熱應(yīng)力存在差異，加之焊態(tài)各對(duì)照組金帶抗拉力也不可能完全一致，導(dǎo)致測(cè)試獲得的兩種狀態(tài)金帶拉力值有較小差異。

圖7 較優(yōu)參數(shù)焊點(diǎn)焊態(tài)和熱循環(huán)態(tài)平均拉力值

圖8 焊點(diǎn)拉伸斷口宏觀形貌

圖9 熱循環(huán)500次焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布數(shù)值模擬云圖

分析認(rèn)為，金帶與基板鍍金層的連接過(guò)程，屬于同種金屬連接。在熱循環(huán)試驗(yàn)中，一方面兩種材料之間不會(huì)因熱膨脹系數(shù)的差異發(fā)生熱失配現(xiàn)象，焊點(diǎn)內(nèi)部不會(huì)受交變熱應(yīng)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(huán)過(guò)程150℃溫度作用下，焊點(diǎn)連接界面上隨機(jī)分布的微米或納米級(jí)微孔洞的尺度會(huì)減小，這使得熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)的界面連接率較焊態(tài)焊點(diǎn)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(shù)不同，熱循環(huán)過(guò)程中過(guò)渡金屬層2與鍍金層、陶瓷本體與過(guò)渡金屬層1之間會(huì)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力作用，但對(duì)焊點(diǎn)連接界面影響較小。因此可以認(rèn)為，焊點(diǎn)在熱循環(huán)試驗(yàn)條件下具備高可靠度。

2.3 焊點(diǎn)拉伸斷口分析

圖10是熱循環(huán)500次焊點(diǎn)拉伸斷口微觀形貌。從圖中可以看出，焊點(diǎn)一側(cè)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(jiàn)，焊點(diǎn)中部連接界面上的一部分連接點(diǎn)仍緊密結(jié)合，剝離界面上咬合殘留痕跡清晰。這說(shuō)明焊接過(guò)程中，焊點(diǎn)中心散熱速度較四周慢，熱量易在焊點(diǎn)中心積累，使得焊點(diǎn)中部較四周的連接質(zhì)量高。

3 結(jié)論

文中研究了金帶/陶瓷基板鍍金層互連結(jié)構(gòu)較優(yōu)參數(shù)單面微電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)在模擬空間環(huán)境熱循環(huán)試驗(yàn)下的可靠性，對(duì)比分析了焊態(tài)焊點(diǎn)與熱循環(huán)態(tài)焊點(diǎn)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(jié)論：1）通過(guò)熱循環(huán)試驗(yàn)，使得焊點(diǎn)連接界面上微孔洞尺度變小。2）通過(guò)熱循環(huán)試驗(yàn)，提高了金帶/陶瓷基板鍍金層互連結(jié)構(gòu)單面微電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)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(diǎn)焊接頭可靠性研究；（710072）陜西省西北工業(yè)大學(xué)友誼校區(qū)材料學(xué)院公字樓405.