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摘 要：概述微点焊接的工作原理和技术特点，以及用于薄膜铂电阻温度传感器中的薄膜基板上细小金属引线的微点焊技术。
关键词：微点焊接 技术特征 薄膜基板 金属引线 应用
焊接是电子、微电子工业的支撑点，没有可靠的焊接，就没有先进的电子系统，而各种先进的电子系统越来越受制于互连引入的各种约束。随着电子产品的小型化、微型化及高性能化，这种约束越来越明显。在电子、微电子元器件的生产制作中，如何对元器件短引脚细导线进行焊接，且焊接牢靠、焊点细小，从而形成较小的阻抗，对建立先进可靠的电子系统影响极大。从物理层上说，这些互连拓扑是从点到点的连接。因此，成为最佳的连接，应满足焊点细小牢靠，电阻小，电感小，从而最大限度降低对高频小信号的延迟、衰减条件，还需满足耐高温、耐低温、抗震动、抗腐蚀的要求，且无需焊料、辅料和无环境污染。
1 微点焊接的工作原理
电阻焊是一种将金属工件连接在一起的焊接方法。通过对被焊工件之间施加、控制和保持一定的压力，从而使工件之间形成一个稳定的接触电阻，然后使焊接电源控制器输出的控制电流流过被焊工件之间的接触表面，产生热量，温度升高，局部熔化接触点，并控制该过程的热量大小与过程，从而达到将金属工件焊接在一起的目的。[1]
电阻焊接无耗材，无需焊条、焊丝和焊药等，焊接过程的耗热非常小，不会产生烟尘等有害物质，无刺眼的光污染，其工作电压只有几个伏特，因此是一种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。
根据力学定律Q=CI2Rt，其中：Q-热能，I-通过的电流，R-电阻，t-电流通过的时间，可知电阻、电流和时间是精确控制电阻焊接的三要素。图1所示为电阻焊接的热量分布特性图，其中焊接中的电阻包含电极、工件和工件之间的表面接触电阻，这3种电阻的分布和结构方式也决定了焊接过程的热量分布，通常表面接触电阻最大，因此，最高温度产生在在此点使金属熔化并熔结在工件接触点的中心，在此点使金属熔化并熔结在一起。
2 精密微点焊接电源的技术特性
我们选用世界先进的微点焊接电源一UNITEK公司制造的UB25线性直流焊接电源(图2)就是利用上述原理，实现了对压力、电流和通电时间三要素进行高效、高速的精密控制，从而实现高质量的精密焊接。与通常的电阻焊接相比，焊接热量分布更趋理想，焊接过程对工件的热影响能达到最小化，焊接稳定可靠，因此特别适用于难以焊接的微小元器件、高精度的精密仪器以及对热影响要求严格的电子器件。图3所示为电阻焊接后焊核形状的对照。微观图形的对照可看出，常规电阻焊接的焊核形状(图a)：由于通电时间较长，使形成的焊核较厚，因此被焊接物较厚的一边收缩较大而产生弯曲，同时焊核基本上位于较厚的材料中。UB25微点焊接的焊核形状(图b)：由于通电时间较短，焊核形成较为扁平，弯曲现象发生较少，同时焊核在两块被焊接的材料之间均匀地形成。
2．1 性能特点
2．1．1 超快速(<10us二的闭环混合控制提供了极度稳定的输出电波，包括电流、电压和电控模式。
2．1．2 极快地上升时间(<10ms=使焊接时间变短，报废件变少，延长了电极寿命。
2．1．3 单向电源(AC220V／50Hz)使安装容易，且用途多样化。
2．1．4 内置式显示器支持程序装载和SPC数据的录入。
2．1．5 图表制的显示屏幕可以给焊接参数和焊接最优化选择提供超长时间的视觉通道。
2．1．6 99个可编程控制的焊接表，并具有链接功能。
2．1．7 容许外部装置提供焊接极限信号和对准要求。
2．1．8 可激活部件的调节，来弥补多变工件的特殊情况和氧化层的出现。
2．1．9配备RS--232和RS--485总线的输出口，用于远程焊接表的选择和SPC数据的录入。
2．1．10 IST标准用于自我校正。
2．1．11 据串行口可完成允许程序的装载。
2．1．12 定的密码保护程序提供了必要的安全保障。
2．2 编程性特点
2．2．1 直观的图表样式使用户界面的编程和参数的修改变得简单。
2．2．2 焊接时，在电流、电压及功率等方面，具有上升和下降功能的双路电脉冲波可被编程。
2．2．3 编程时间以100ms递增，使要求较短焊接时间的器件得到最终控制。
2．2．4 精确的内置显示器及图表制的焊接电流、电压、功率及电阻均采用数字显示其峰值和平均值。
2．2．5 易设置的极限值为可接收部件提供了处理窗口。
2．2．6 通过编程可为操纵者和自动化界面叠加视觉和听觉信号。
2．3 三种反馈模式的特色
电流模式：传输可编程的电流时间，无视工作的电阻变化。在不影响焊接质量的前提下，补偿工件厚薄的轻微变化。该模式非常适合两工件间和电极与
工件间的焊接。
电压模式：焊接时通过工件来控制电压，将有助于弥补工件错装和焊接时的压力问题，并自动减少焊接时的火花，特别是不平整工件的焊接和引线焊接时易产生的火花。特别适合焊接圆形工件。
功率模式：轻微调节焊接时的电流、电压，以得到恒定的焊接能量，这对破除工件表面的氧化层非常有用，并且自动延长电极的寿命。
微点焊接的控制技术特点见下框图所示：
3 典型的电阻焊接方式
在电阻焊接中，主要有四种典型的焊接方式：
3．1 单点对焊方式：一个焊点，单一回路。
3．2 双点平行焊方式：两个焊点，电流回路有分流，能量有损失，但效率高。
3．3 单点平行焊方式：一个焊点，应用于特殊要求。
3．4 热熔点焊方式：利用电阻生热，特别适用于有被覆盖层的线材的熔接。
4 电极的形状和材半斗的选择
在电阻焊接中，电极主要有三种不同的作用。
4．1 使电流密度保持均匀。
4．2 聚集焊点处的电流。
4．3 在焊接过程中保持热量平衡。
最常用的电极材料有铬铜、钨铜、钨和钼。电极的形状多种多样，最常见的如图4所示。电极的材料和形状取决于所需的压力和所焊工件的热传导性及
焊接工艺要求，见表1。电极需要保养才能延长寿命，并且要按期修磨。
5 精密微点焊接对电源和焊接时间的要求
工作状态的电流持续时间是由焊件的热熔量、焊接的热影响及焊接质量而决定的，形成焊接焊核所需的电流量可通过计算得出。考虑上述因素后，可选定焊接电源的最佳型号。图6所示为焊接电源常用的4种形式及其适用范围。在选定最佳形式的焊接电源时，除对焊接质量的高要求外，还应考虑如费用、焊接时间、输入的电波、人力费用及未来的自动化拓展潜力等因素。
6 应用
目前，片式Pt薄膜温度传感器元件以高精度、高可靠、高稳定、体积小、响应快、互换性强、抗震性好、性价比高等优点，将广泛应用于航空、军工、电子、医疗、工控等行业，有着巨大的市场潜力。而高效率、高质量、高可靠性的加工设备在国内尚属空白，为此我所精心研制开发了JH一150型精密自动焊接机，主要解决了片式n薄膜温度传感器元件的电子储能式细小金属引线的微点焊接。
该设备主要用于厚度1mm以内的A1203基板上覆着的lum厚的Pt膜上进行细小金属引线的自动微点焊接。
该元件的外形如图7所示，其引线规格见表2所示。
通过上述微点焊接的技术特性分析，以及片式Pt薄膜温度传感器元件的加工特征，该设备引入的核心部件—UNITEK公司的UB25型线形直流微点焊电源，采用了双点平行焊的焊接方式，即86A／EZ—精密平口焊头装置。该装置中拥有专利权的EA—AIR(开合器)，可以精确控制从直径或厚度小于2．5um-0．127mm器件的焊接，压力从0．23Kg到9．1Kg调节。开合器(EZ—AIR)技术可以防止焊接过度和重复焊接。
UB25机型的另一个特点是，配备的300系列焊头——用焊接力和焊接置换一起控制焊接能量。UB25机型对电流、电压及功率提供了精确控制和监视，并可连接一套全范围的UNITEK设备的焊头。因此需要对程序进行综合控制(包括焊接力和焊接置换)的器件，300系列的焊头系统都可适用。该系列是线性精确控制的电磁焊头，可以实质性地减少与动力电阻相关的自我矛盾。在焊接过程中，闭环的能量、时间、压力及焊接置换组成最终的焊接系统。300系列焊头为焊接器件的焊接力度、焊接力的稳定性及后续力量的动量都提供精确的控制，电控编程确保焊头在多个焊点上的焊接效果一致，同时焊接冲击力、焊接压力的倾斜度、点火力及后续跟随力均可编程控制和重复使用，以及数据最后的输出与记录连同监视器监控的能量与时间参数为要求的安全性对比及批量生产提供了过程的记录文档。
7 结束语
通过对微点焊接的技术特征分析及进一步消化吸收，将对原有电子元器件的制造工艺产生技术变革，并对电子工业的发展产生较大的影响。 |
