平行间隙电阻焊微连接技术研究进展

2020-12-01李旬王敏华学明沈忱

焊接 2020年7期

李旬, 王敏, 华学明, 沈忱

(上海交通大学，上海市激光制造及材料表面改性重点实验室，上海 200240)

0 前言

在信息化社会，电子器件的封装是目前研究的热门领域。由于电子元器件朝着微型化、小型化和高性能化集成化的方向发展[1]，对连接技术也提出了更高的要求，以平行间隙电阻焊为代表的微型电阻焊具有典型的技术优势。相较于常规电阻焊，微型电阻焊焊接时间短、电极压力很小[2]，以保证对连接材料的结构和性能影响较小。微型件连接界面涉及异种材料时，钎焊往往被优先考虑，其连接温度低，有利于降低对母材的不良影响，但是容易生成脆性的金属间化合物层，理论疲劳寿命不长[3]。

平行间隙电阻焊(Parallel gap resistance welding, PGRW)是一种特殊的单面双点焊，其热量集中，加热时间短、经济方便，对于不同界面的连接具有适应性强的优点，可直接实现各类电子器件及医疗器件中微型件及含镀层结构的互连。目前，平行间隙电阻焊已应用于国防航天及工业生产之中，如电池、继电器、PCB板、传感器、植入式心脏起搏器、助听器等[4-7]，特别是空间太阳电池阵中太阳电池片与互连片的连接等应用，说明平行间隙电阻焊具有十分广阔的应用前景和重要地位。考虑连接过程的不可见及焊接的瞬时性，对平行间隙电阻焊的模拟仿真研究十分必要。但是，到目前为止这方面的研究仍不够深入和系统，在关键性问题上没有重大突破，距离准确指导实际的焊接过程还有一定距离。一方面接触电阻本身极其复杂，影响因素很多，难以用公式进行准确的表达；另一方面点焊过程具有高度非线性、参数耦合复杂的特点，当前研究对平行间隙电阻焊的认识程度不够，包括接头的形成机理仍有待研究。

1 平行间隙电阻焊原理与特点

1.1 连接机理研究

平行间隙电阻焊拥有两根上电极，仅在工件的一侧施加电极压力和焊接电压、焊接电流，是一种特殊的单面双点焊，其特点是电极间距特别小(0.6～1.0 mm以下)，这种结构便于实现对微型件的焊接。

电阻焊往往在接触面产生熔核实现焊件的可靠连接，材料熔化所需的高温会对部件的结构和性能产生不利的影响。同时，易再结晶的热脆性材料、熔点相差悬殊的材料、热导率极高且固相结合温度较低的材料(如Ag)难以实现熔化连接。陈伟彦等人[8]研究太阳能电池电极与互连片平行间隙电阻焊过程中界面的温度分布，利用红外热像测温试验结合有限元模拟，发现在最优参数下焊接时连接界面的最高温度保持在950 ℃以下，未达到连接材料Ag的熔点。通过调整工艺参数，平行间隙电阻焊焊接过程中可以使焊件不发生熔化或者部分熔化但不产生熔核，在高温和压力的作用下连接材料可以产生塑性变形，同时依靠连接界面处产生一定深度的较为完全的原子扩散实现焊件之间的可靠连接[9]。这种固相连接状态不具备偶然性，比较容易实现。

Cong等人[10]在对Cu线和镀金石英基体平行间隙电阻焊连接过程的研究中发现，热输入的大小对连接的机理有着重要的影响，随着热输入的增大，连接由原子扩散形成的固相连接转换为熔化连接。同时，热输入过小，连接强度不足；热输入过大，连接的材料会发生熔化，导致工件损坏。在微电子封装领域，首要任务是保证器件部分和整体功能的完好，对接头的强度要求相对较低。由于高温会对电子器件的结构和功能产生不利的影响，低温连接往往被优先考虑。故平行间隙电阻焊实现连接往往采用小电流短时间的工艺规范，以减少对电子器件的损坏，由此会带来接头强度的降低，但是通过优化连接和封装工艺往往可以满足微电子封装的使用要求。由此得出平行间隙电阻焊的微连接大多是依靠固相状态下的原子扩散来实现的。

1.2 接触电阻的影响

对于普通电阻焊来说，接触电阻一般只在焊接过程初期起作用，且产热很少。但对于平行间隙电阻焊来说其焊接时间非常短，因此接触电阻的产热对整个焊接过程而言是不能忽略的。王晨曦等人[11]指出，随着焊机电极间距的减小，接触面的电阻产热量占焊接过程总产热量的比例随之增大。所以接触电阻的处理对于提高平行间隙电阻焊模拟的可靠性具有十分重要的意义。

接触电阻本身极其复杂，影响因素颇多。接触电阻由收缩电阻和薄膜电阻组成。收缩电阻与两接触面的表面粗糙度有关，表面粗糙度的存在使得两个待连接材料之间的接触方式由理想光滑平面的面接触变为无数个峰与峰、峰与谷的点接触。而薄膜电阻与接触面上的氧化物、污染物有关。Hashemi 等人[12]在电-热-力耦合模型的基础上提出一种基于“现象学”的接触电阻模型。此模型中只考虑了收缩电阻，认为收缩电阻是温度，载荷和材料屈服强度的综合函数，对接触电阻阻值的影响因素考虑的更加完善。

动态电阻是焊接过程中焊接电极输入电压的瞬时值除以该时刻对应的焊接电流计算得到的。焊接不同材料时动态电阻随时间变化的典型曲线如图1所示[13]。可以看出，每种金属或合金都有其典型的动态电阻曲线图，其中低碳钢的动态电阻曲线表现出与熔核生长相关的特征。第一阶段总电阻急剧下降，对应于表面膜被击穿同时接触面积增大，使得接触电阻迅速降低；第二阶段是由于温度升高材料的电导率增大，使得工件的体电阻随之增大；第三阶段熔核不断增大，总电阻减小。在点焊过程中接触电阻发生复杂非线性的变化，且难以直接测量，接触电阻的表征仍然充满着挑战。

图1 焊接过程中三种材料动态电阻变化的典型曲线

用数字和公式量化接触电阻是电阻点焊建模中的关键问题，重点在于了解载荷、温度、材料表面条件等主要参数对接触电阻的影响。Han等人[14]在静态接触电阻基础上，给出了接触电阻与焊接压力的关系。曹彪[15]建立了低碳钢板点焊过程的有限元模型，考虑了接触电阻与接触压力和温度的关系，较好地反映了其变化规律，但是得到的经验公式存在参量难获取与物理量意义不明确等问题。Chang等人[16]提出了关于“显微接触理论”的接触电阻模型，此模型已成功应用在低碳钢的电阻点焊中，具有无需经过试验修正的优点，但是没有将焊接区域温度上升之后材料屈服强度和接触面积的变化考虑在内。Wan等人[17]在1.2 mm厚铝合金与2.0 mm厚镀锌钢板的点焊连接中对动态电阻的表达进行了系统的分析，分别计算了上电极-铝、铝-钢和钢-下电极三个接触面的接触电阻，考虑了界面温度、接触压强、表面氧化物和镀层等诸多因素，最终将单位面积的接触电阻表达为温度和压强的二元函数。该电阻模型精确预测了熔核尺寸和金属间化合物的分布，具有很好的借鉴意义。

作为一种特殊的电阻焊，平行间隙电阻焊的连接机理和影响因素均有所不同。适用于微连接的平行间隙电阻焊连接方式可以是固相连接，也可以是熔化连接。由于焊接时间的短暂，接触电阻对平行间隙电阻焊连接的影响更大，但是由于平行间隙电阻焊在被焊材料、接触面数量、通电及加压方式等方面的特殊性，其接触电阻在焊接过程中发生复杂的变化，接触电阻的处理仍是一个难点。

2 平行间隙电阻焊数值模拟研究

相比传统的单电极，使用单面双焊接电极的电场-热场-力场均有较大的变化，使得平行间隙电阻焊的焊接过程更加复杂。

早在1988年，Chu等人[18]建立了三维热传导模型计算硅电池与Ti-Pd-Ag互连片及砷化镓电池与Au-Zn-Ag互连片平行间隙电阻焊连接过程中的温度分布情况，指出最高温度出现在电池与互连片接触的区域，并分析认为焊接过程中微裂纹的产生主要是通过接触界面的电流产生的热量不能充分扩散所致。

王晨曦等人采用大电流，短时间的强规范工艺成功实现0.15 mm镍引线与5 μm镍铬合金薄膜的焊接。建立了二维焊接热传导模型，考虑产热机制主要分为连接材料的电阻热，通过两个电极的散热和接触电阻的产热三个部分。

2.1 温度场、应力-应变场的研究

获取焊接过程中重要区域的温度场对于界面反应的分析和微电阻焊机理的明确具有十分重要的意义。李跃[19]构建了铝丝/镀金铜焊盘平行间隙微电阻焊模型，采用多物理场耦合的方法同时施加电流、压力载荷，提取得到了焊接刚结束时的温度场、电流密度场。结果显示了温度、电流密度的对称分布特性，温度场分布如图2所示[19]，接触面中心温度最高，边缘温度最低。另外由于铝线的分流，焊盘上的电流密度比铝线上的电流密度小两个数量级。峰值温度位于两电极中间位置的铝丝上，而非铝线与焊盘的界面处。点焊过程中在电极压力作用下随着温度的升高，连接材料的屈服强度和内应力会发生变化，这会对接头的结合产生影响。Liu等人[20]结合温度分布对界面的连接形状进行了研究，铜线/镀金层平行间隙电阻焊焊接过程中，接头形状经历了从长方形，纺锤形，长方形直至椭圆形的变化。陈伟彦等人通过ABAQUS软件对空间太阳能电池片与互连片的平行间隙电阻焊进行了建模分析，并利用红外热像在线测温试验证实了有限元模型的可行性，结果中焊接电极-互连片界面与互连片-电池界面的温度差异非常小，所以可以用易于观察的电极-互连片接触区温度来替代封闭的焊接界面的温度。以此为依据，提出通过在线监测焊接界面温度来量化接头的连接质量，出发点是焊接电流、焊接时间及焊接电极间隙等焊接工艺参数的变化主要是影响焊接过程中的产热和散热状态，进而影响焊接质量。通过建立接触区温度-接头强度的关系，最终得出应将接触区的温度控制在769.5～948.6 ℃之间。陈伟彦等人为评价接头连接质量建立了简单清晰的判断准则，具有较高的工程应用价值，但是没有考虑电极压力对接头性能的影响。

图2 铝丝和焊盘的温度分布

在温度场分布基础上优化模型，可以得到结构的应力应变场，进而综合分析接头的薄弱环节。李娟娟等人[21-22]基于有限元软件 COMSOL Multiphysics对微加工生物电极应用领域PtIr导线和Pt薄膜的平行间隙电阻焊过程进行了仿真研究，模型中对材料的粗糙度处理进行了简化。焊接区域温度变化非常迅速，10 ms时已经达到峰值温度，最高温度出现在电极中间导线的上半段区域，之后温度增加相对平缓。焊接区域变形最大的位置是两焊接电极中间，由于不受载荷压力的束缚发生了十分明显的热膨胀。刘阳[23]使用ANSYS有限元模拟软件计算铜丝/镀金层平行间隙电阻焊互连过程及互连焊点在高低温热冲击、随机振动及通电热老化条件下的响应。模型中对预压变形后焊点进行建模，采用了高级接触单元来模拟试样的接触与分离，对接触电阻阻值的变化进行了表征。焊接20 ms时由于铜丝形状变得扁平化，在互连界面中心部位出现了峰值温度，接近母材的熔点。等效应力分布结果显示互连焊点应力分布整体较为均匀，最大应力位于焊点的边缘，超过了材料的屈服强度，此小片区域将发生塑性变形。值得一提的是在高低温热冲击试验中，发生塑性变形的区域依然是危险点，其等效应力可达69 MPa。颈部与界面结合处为薄弱部位，随着热冲击次数增加，其等效应力逐渐增加，等效塑性应变几乎没有变化。

Zhan等人[24]对空间太阳电池阵部件银互连片/锗镀银电池电极的平行间隙电阻焊连接进行数值模拟，基于热-电-力耦合做了相当系统的工作。单互连片与电池片基体连接结果显示：残余应力集中在焊接区域附近，焊接区域最高残余应力可以达到32.5 MPa，电池基体边角和互连片拐角处也会有较大的应力分布；焊接加热阶段，应力值逐渐增高，自然冷却阶段部分应力会得到释放；焊接区域附近的电池基体产生了较大的横向收缩，同时在电极压力的作用下，电池基体发生一定的翘曲变形，互连片亦发生一定程度的翘曲。多个互连片与电池片基体连接过程中，由于在较大面积的电池基体板上各个互连片之间间隔一定距离，热力作用互不影响，但对电池基体的损害有累加效果。互连片连接顺序对太阳电池的残余应力分布几乎没有影响[25]，使用三种典型焊接顺序参数下电池基体的残余应力值大致相等，残余应力分布也基本保持一致。

2.2 焊接工艺参数的影响

相较常规电阻焊甚至其他微电阻焊来说，平行间隙电阻焊的过程都是比较特殊的。在试验结果基础上，结合仿真研究是非常可行的技术路线。Guo等人[26]研究了铜焊盘和镍线的平行间隙电阻焊，通过一系列试验得出了电极间距对焊接强度影响最小，电极压力影响较大，焊接时间和焊接电流对焊接强度影响最大的试验结论，并建立了基于ANSYS软件的三维传热模型。Tan等人[27-28]及Fukumoto等人[29]分别系统地研究了微电阻点焊过程中电极压力、焊接电流、焊接电源及电极材料等工艺对接头性能的影响。

当焊接界面温度过低时会导致原子动能不足，元素扩散不充分，从而造成接头质量较差。焊接区域温度较高有利于元素扩散形成良好连接，但当温度过高时会对焊件的性能和结构造成破坏。对于平行间隙电阻焊来说，连接材料往往尺寸很小且对温度敏感，温度过高造成的破坏十分显著。所以焊接过程中焊接界面的温度大小将对连接质量产生重要影响。焊接电流、焊接电压和焊接时间直接影响焊接过程的输入能量。另外，主要依靠扩散实现连接的平行间隙电阻焊需要足够的焊接时间来保证焊接过程充分进行。吕晶晶对锗基太阳电池与单互连片连接进行仿真分析，考察了焊接电压对太阳电池基板的温度分布影响，如图3所示[25]。典型的特征是焊接电压会较大地影响峰值温度的大小，而对温度分布随位置变化的趋势几乎没有影响，采用不同参数的焊接电压之后焊接区域的温度分布规律大致一样。

图3 焊接电压对连接界面温度分布的影响

除输入能量之外，另一个非常重要的焊接工艺参数是焊接压力。一定的电极压力对于平行间隙电阻焊来说是必不可少的，通常认为平行间隙电阻焊过程中焊接压力的作用是保持连接材料的良好物理接触，一方面电流可以顺利导通；另一方面原子充分扩散来形成可靠的接头。电极压力会显著影响接触电阻和母材的变形。当焊接压力过小时，接触电阻较大，由焦耳定律可知，电流产生的热量也会迅速增加，电流束集处(接触点)的温度升高到母材熔点之上，容易发生火花或飞溅现象。当焊接压力过大时，两电极下方区域会产生较大的塑性变形，甚至影响母材的结构和性能。文献[21-22]通过模拟仿真发现电极压力对焊接区域的变形影响非常大。

电极间距的变化会造成焊接过程中电流密度分布以及产热传热状态发生改变，从而影响连接质量。随着电极间距的增大，高温区域会由中心单一的椭圆形逐渐分离成两个椭圆并且焊核位置从两电极中间向电极移动。当电极间隙过大时焊接界面最高温度位置会偏离中心，且界面温度低不易于形成有效连接。同时Masomtob等人[30]在锂电池用镍片/镍片平行间隙电阻焊连接仿真研究中，发现电极间距太小则会造成电极端部热量集中，从而使得焊接区域应变很大。

由于平行间隙电阻焊焊接过程的复杂性，仅采取试验的方法难以准确把握其连接机理和变化过程。从上文总结中可以看到，数值模拟作为一种重要的分析工具可以对焊接过程的瞬时状态进行分析，获得焊接过程中的温度场以及应力场、应变场，有利于深入了解平行间隙电阻焊。同时，需要优化焊接电压、焊接电流和电极压力等焊接工艺参数以提高连接的质量。