焊接電壓對絕緣銅線微電阻熱壓焊接頭的影響

李遠(yuǎn)波，溫嵩杰，杜鼎臣，崔志遠(yuǎn)，彭梓林

(1.廣東工業(yè)大學(xué),省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州,510006；2.廣東工業(yè)大學(xué),廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州,510006)

0 序言

絕緣線，又稱漆包線或電磁線，廣泛應(yīng)用于電子電氣和半導(dǎo)體行業(yè)，如電感器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)濾波器、線圈等產(chǎn)品[1].由于銅金屬具有電阻率低、彈性模量高以及成本低等優(yōu)良特性[2]，銅是最為常見的漆包線基材.絕緣銅線引出端的焊接是產(chǎn)品制造過程中極為重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到工作器件的電氣連接特性、工作壽命和可靠性.

但由于絕緣漆的阻礙，漆包線在焊前需進(jìn)行除漆處理.傳統(tǒng)除漆方法主要有機(jī)械剝離、化學(xué)腐蝕等[3].但這些方法操作復(fù)雜，還易損傷導(dǎo)線，增加成本.同時(shí)漆包線接頭還存在質(zhì)量不穩(wěn)定、易熔毀、不正常熔合等問題，所以直接精密焊接漆包線是困擾電子工業(yè)的技術(shù)難題[4].

Leong 等人[5]對比了絕緣銅線與裸銅線的針腳焊接頭發(fā)現(xiàn)，結(jié)合面內(nèi)有殘留漆層，且接頭抗拉強(qiáng)度較低，需長時(shí)間等溫老化才能達(dá)標(biāo).師文慶等人[6]采用激光焊對直徑100 μm 的絕緣銅線進(jìn)行了焊接，但激光微焊接成功的重要前提是線材和基體的緊密貼合.Mo 等人[7]對直徑100 μm 的P155p(耐熱等級為164 ℃/20 000 h)改良聚氨脂絕緣銅線進(jìn)行微型電阻焊 (resistance microwelding,RMW)，引入預(yù)熱電流去除漆層，去除效果良好，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到原線的79%.該工藝需要上、下兩個(gè)電極實(shí)現(xiàn)電流的導(dǎo)通，但由于生產(chǎn)空間的限制，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用有限.

熱壓焊由于具有加熱時(shí)間短、熱影響范圍小、焊點(diǎn)易成形等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于電子元器件制造中[8].但目前國內(nèi)鮮有針對于漆包線的微型熱壓焊方面的研究.文中采用一種用于絕緣銅線連接的微電阻熱壓焊工藝，在單一脈沖輸出期間對絕緣銅線進(jìn)行除漆和焊接；通過研究接頭的宏觀外形、微觀組織、元素分布和力學(xué)性能分析接頭形成及演變過程，并探討焊接電壓對接頭的影響.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為商用C5191 磷青銅箔和杭州益利素勒精線有限公司出產(chǎn)的聚酯亞胺絕緣銅線(A200 絕緣銅線，耐熱等級為210 ℃/20 000 h)，廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱的壓縮機(jī)及高品質(zhì)電機(jī)電器等產(chǎn)品，其導(dǎo)電芯為直徑100 μm 的純銅圓線，表面覆有12 μm 的改性聚酯亞胺涂層(熔點(diǎn)約為470 ℃).磷青銅箔試樣的尺寸為18 mm × 7 mm × 0.2 mm，其化學(xué)成分如表1 所示.試驗(yàn)前使用丙酮和乙醇對磷青銅箔進(jìn)行超聲清洗.

表1 磷青銅箔的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of phosphor bronze sheet

影響焊接接頭質(zhì)量的因素很多，根據(jù)之前的研究成果，發(fā)現(xiàn)焊接電壓/電流的顯著性水平最高[9].因此文中探究不同焊接電壓對微電阻熱壓單面焊接頭質(zhì)量的影響，其中固定焊接時(shí)間為20 ms，電極壓力為12 N.試驗(yàn)采用可以焊接直徑0.04～ 0.3 mm線材的GW-CN-01 型精密焊機(jī)，采用線性直流型焊接電源，最大輸出電流1 000 A，輸出脈沖時(shí)間2～ 50 ms.焊接電極材料為鎢.圖1 為電極形狀尺寸示意圖.

圖1 電極形狀及尺寸(mm)Fig.1 Geometry and dimensions of electrode

圖2 為接頭的形成示意圖.電極、絕緣銅線與磷青銅箔的位置關(guān)系如圖2a 所示，當(dāng)電極壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，電極加壓機(jī)構(gòu)觸發(fā)焊接電源放電從而獲得接頭.焊后接頭的形貌如圖2b 所示.電極底部為楔形，可以避免接頭位置2 處出現(xiàn)應(yīng)力集中[7]，同時(shí)使得接頭位置1 處多余的引線容易去除.微電阻熱壓單面焊工藝如圖3 所示.

圖2 接頭的形成Fig.2 Formation of welding joint.(a) arrangement of electrode and experimental material;(b) schematic diagram of joint after welding

圖3 微電阻熱壓焊工藝Fig.3 Resistance thermocompression microwelding process.(a) schematic diagram of resistance thermocompression microwelding;(b) welding time-sequence graph

焊接接頭的質(zhì)量由接頭表面外觀、接頭尺寸和接頭拉斷力來表征，如圖4 所示.焊接完成后，通過CMT8501 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉斷試驗(yàn)來表征接頭強(qiáng)度，絕緣銅線與磷青銅箔夾角呈90°，拉伸速度為10 mm/min，如圖4a 所示.使用LEXT OLS4100型激光掃描共聚焦顯微鏡(laser scanning confocal microscope,LSCM)測量并記錄接頭的長度(L)和接頭最寬位置寬度(W).每個(gè)參數(shù)下測試5 個(gè)接頭樣本，記錄接頭的平均拉斷力、長度和寬度.焊接接頭尺寸示意圖如圖4b 所示.

圖4 焊接接頭質(zhì)量的表征Fig.4 Indication of welded joints quality.(a) schematic diagram of joint tensile test;(b) length and width of joint

沿垂直于磷青銅箔上絕緣銅線方向截取試樣，研磨拋光后用5 g FeCl3，20 mL HCl 和120 mL H2O 溶液蝕刻3～ 5 s.利用LSCM Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)和能譜儀(energy disperse spectroscopy,EDS)檢測接頭的宏觀和微觀組織性能.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖5 為不同焊接電壓下接頭外觀與橫截面處的宏觀金相.在焊接電壓為1.95 V 時(shí)，接頭表面附著有黑色的殘留碳化物，且接頭兩端的線材上附著有大量被燒蝕收縮的漆層；接頭結(jié)合面內(nèi)有明顯的不連續(xù)的夾雜.隨著焊接電壓的升高，接頭表面黑色物質(zhì)逐減少.在焊接電壓為2.05 V 時(shí)，表面已不存在黑色物質(zhì).在焊接電壓為2.15 V 時(shí)，接頭表面起皺，結(jié)合線也變得彎曲；焊接電壓增至2.20 V時(shí)，絕緣銅線表面大量熔化，熔融的金屬與燒蝕的漆層混雜，使得接頭表面發(fā)黑，此時(shí)還發(fā)生嚴(yán)重的電極粘連.與絕緣銅線的微型電阻焊不同的是，隨著焊接輸入的升高，截面處銅線處晶粒會(huì)長大粗化[7]，而磷青銅箔處的晶粒大小幾乎沒有變化.

圖5 不同焊接電壓下A200 接頭外觀和橫截面宏觀金相Fig.5 Macroscopic metallography of A200 joint appearance and cross section under different welding voltages.(a) 1.95 V;(b) 2.05 V;(c) 2.15 V;(d)2.20 V

隨著焊接電壓的升高，接頭的寬度也隨之增加，而接頭長度卻始終在1 000 μm 左右，如圖6 所示.這說明在電極壓力相同的情況下，接頭長度與電極的厚度有關(guān)，與其熱輸入關(guān)系不大.

圖6 不同焊接電壓下A200 接頭長度和寬度Fig.6 Length and width of A200 joint under various welding voltages

2.2 微觀形貌

圖7 為不同焊接電壓下的接頭截面SEM 圖.接頭的結(jié)合界面存在明顯的分界線，接頭左右兩側(cè)存在一個(gè)夾角區(qū)域.在焊接電壓1.95 V 時(shí)，接頭結(jié)合面內(nèi)有1～ 2 μm 厚的夾雜層.隨著焊接電壓增大，線材與磷青銅箔接合愈加緊密，結(jié)合線逐漸模糊，如圖7a 所示.當(dāng)焊接電壓為2.20 V 時(shí)，線材兩側(cè)有擠出物產(chǎn)生，該擠出物的形貌和晶格特征與絕緣銅線的特征完全不同，而與磷青銅箔較為相似.從圖7d 可以明顯地看到，該擠出物通過線材底部與磷青銅箔連接成為一個(gè)整體，但與線材之間還存在著明顯界線.

圖7 不同焊接電壓下A200 接頭SEM 圖Fig.7 SEM images of cross-sections of A200 joints under various welding voltages.(a) 1.95 V;(b)2.05 V;(c) 2.15 V;(d) 2.20 V

表2 為圖7 中區(qū)域1～ 10 的EDS 分析結(jié)果.在焊接電壓1.95 V 時(shí)，區(qū)域1 和3(接頭的外圍)無C 元素，線材在此位置與磷青銅箔直接鍵合.區(qū)域2 的C 元素含量高達(dá)50.35%，對位置2 進(jìn)行線掃描結(jié)果如圖8 所示，在結(jié)合面處Cu 元素含量明顯降低而C 元素含量很高，說明低焊接電壓下的結(jié)合面內(nèi)還有未被燒蝕排出的漆層.隨著焊接電壓增大，區(qū)域4～ 7 和區(qū)域10 中的C 元素含量均為0.這說明在合適的輸入?yún)?shù)下，銅線與磷青銅箔結(jié)合面內(nèi)的漆層可以被燒蝕干凈.在焊接電壓2.20 V時(shí)，銅線左側(cè)存在明顯的附著物，如區(qū)域8 所示，其C 元素含量為0，Sn 元素含量為15.63%，因此可以確定該區(qū)域是由磷青銅箔上表面金屬受熱軟化受電極壓力作用擠出；區(qū)域9 中C 含量為100%，證明該位置為集聚在接頭左右兩側(cè)的漆層.

圖8 圖7a 中位置2 的線掃描結(jié)果Fig.8 Line scanning result of position 2 in Fig.7a

表2 圖7 中區(qū)域1～ 10 的EDS 分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 EDS analysis results of area 1-10 in Fig.7

2.3 接頭強(qiáng)度

圖9 為不同焊接電壓下的接頭拉斷力變化.在焊接電壓1.95 V 開始形成有效接頭，但此時(shí)熱輸入較低，尚不能消除磷青銅箔表面的粗糙度等阻礙[10]，接頭處于弱連接.焊接電壓從1.95 V 到2.05 V，拉斷力提升較為明顯，接頭斷裂模式由界面剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榻宇^前端斷裂，這是由于熱輸入的增加引起接頭結(jié)合面積增加(接頭長度不變，寬度增加)、界面強(qiáng)度增大(磷青銅箔表面粗糙度降低)，且此時(shí)結(jié)合面內(nèi)碳化物也被燒蝕干凈，接頭鍵合由弱連接轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)連接.在焊接電壓2.05 V 后，接頭拉力仍在增大但增速減慢，接頭斷裂模式由接頭前端斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻宇^中部斷裂.在焊接電壓2.20 V 時(shí)達(dá)到最大拉力(1.12 N，原線拉力1.37 N)，但此時(shí)出現(xiàn)了線材表面大量熔化和嚴(yán)重的電極粘連等不良焊接現(xiàn)象，繼續(xù)增大參數(shù)已無意義.

圖9 焊接電壓對接頭拉斷力的影響Fig.9 Effects of welding voltages on the joint breaking force

圖10 為不同焊接電壓下接頭的斷口SEM圖.圖10a 和圖10b 為界面剝離形式失效，對其C元素的面掃描結(jié)果如右上角圖所示.在焊接電壓為1.95 V 時(shí)，被燒蝕的漆膜在焊點(diǎn)周圍堆積，結(jié)合面還殘留有碳化物(圖10a 白色虛線框)；隨著焊接電壓增至2.05 V(圖10b)，雖然燒蝕的漆膜還是堆積在焊點(diǎn)周圍，但結(jié)合面內(nèi)已無殘留碳化物，被剝離的結(jié)合面出現(xiàn)了凸起的斑點(diǎn)(Cu)，應(yīng)是銅線被剝離后的殘留，說明在合適的焊接參數(shù)下，焊接結(jié)合面內(nèi)的漆層可以被清除干凈，銅線和磷青銅箔可以產(chǎn)生一定程度上的冶金結(jié)合.進(jìn)一步說明采用微電阻熱壓焊工藝可以實(shí)現(xiàn)A200 絕緣銅線的除漆焊接一體化.隨著焊接電壓繼續(xù)增大，可以發(fā)現(xiàn)殘留在結(jié)合面上的Cu 越來越多，接頭失效形式也從界面剝離轉(zhuǎn)換為體現(xiàn)接頭強(qiáng)度更高的接頭前端斷裂和接頭中間斷裂，如圖10c 和圖10d 所示.

圖10 不同焊接電壓下接頭斷口形貌Fig.10 Fracture morphology of joints under various voltages.(a) 1.95 V and the distribution of C;(b)2.05 V and the distribution of C;(c) 2.15 V;(d)2.20 V

2.4 接頭的形成

僅考慮焊接電壓對接頭的影響是不足的，但是據(jù)此來研究接頭的形成過程有助于理解絕緣銅線微電阻熱壓焊工藝，為后續(xù)進(jìn)一步的研究工作提供指導(dǎo).

圖11 為A200 絕緣銅線采用微電阻熱壓焊工藝接頭隨焊接電壓變化的示意圖.絕緣銅線與磷青銅箔的焊前布置如圖11a 所示.在預(yù)壓階段，線材發(fā)生輕微的塑性變形，此時(shí)漆層未被壓潰或刺破，磷青銅箔表面未觀察到壓痕，截面形狀如圖11b 所示.當(dāng)電極通電且焊接電壓還較低時(shí)，銅線塑性變形程度進(jìn)一步加大，漆層受熱而被燒蝕、裂解，并在電極壓力的作用下被擠出結(jié)合面；但由于焊接輸入熱量較低，結(jié)合面內(nèi)存在殘留碳化物，接頭處于弱連接狀態(tài)，如圖11c 所示.隨著焊接電壓增加，銅線被輕微壓陷進(jìn)磷青銅箔，如圖11d 所示.這是由于材料性質(zhì)如電導(dǎo)率、體電阻等存在巨大差異，造成焊接過程中熱量分布不均勻[11]，磷青銅箔表面發(fā)生軟化，促進(jìn)了銅線向下壓陷.當(dāng)焊接電壓繼續(xù)增加，結(jié)合面積隨之?dāng)U大，界面結(jié)合強(qiáng)度增強(qiáng)，接頭處于強(qiáng)連接狀態(tài)，如圖11e 所示.在高焊接電壓下，熔融金屬被擠出，銅線表面會(huì)發(fā)生大量熔化，同時(shí)發(fā)生電極粘連、飛濺等不良現(xiàn)象，如圖11f 所示.這是由于材料熔點(diǎn)的差異(磷青銅箔的熔點(diǎn)900 ℃低于純銅的熔點(diǎn)1 083 ℃)和熱量分布不均造成的.因此產(chǎn)生合適的局部熱量是獲得高質(zhì)量接頭的關(guān)鍵.

圖11 A200 接頭演變示意圖Fig.11 Schematic diagram of joint evolution of A200.(a) arrangement before welding;(b) prepressure plastic deformation;(c) weak bonding joint;(d) thermally assisted indentation;(e) strong bonding joint;(f) melt extrusion

3 結(jié)論

(1) 采用微電阻熱壓焊工藝對A200 絕緣銅線與磷青銅箔進(jìn)行連接，當(dāng)焊接時(shí)間為20 ms、電極壓力為12 N、焊接電壓大于2.05 V 時(shí)，焊接結(jié)合面內(nèi)的漆層可以被清除干凈，銅線和磷青銅箔可以產(chǎn)生冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)除漆焊接一體化.

(2) 在微電阻熱壓焊工藝下漆包線與磷青銅箔接頭成形過程中，隨著焊接電壓增加，接頭演變有以下形式：預(yù)壓塑性變形、接頭弱連接、熱輔助下的壓陷、接頭強(qiáng)連接和熔融金屬擠出.

(3) 隨著焊接電壓的增大，接頭長度始終維持在1 000 μm 左右，接頭寬度一直增加，接頭拉斷力一直增大.當(dāng)焊接電壓為2.20 V 時(shí)，接頭拉斷力最大，為1.12 N，但會(huì)出現(xiàn)電極粘連、表面熔化、飛濺等不良焊接現(xiàn)象.當(dāng)焊接參數(shù)較小時(shí)，接頭失效形式為接頭界面剝離；當(dāng)焊接參數(shù)較大時(shí)，接頭失效形式為接頭前端斷裂和接頭中部斷裂.