先进焊接用软铜线材料特性研究

第一篇：先进焊接用软铜线材料特性研究

铜线焊接应用于超小间距、超高引脚数、低k解决方案时，一些失效模式会严重影响焊接工序的成品率和生产率。这些失效模式包括，焊接垫金属层喷溅或者剥裂，引线针脚拉伸数值低，数值变化范围大，以及短尾线等。因此需要对铜线重新检验，改进它的特性以满足引线焊接工艺的要求。

铜线焊的挑战

近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈。作为连接导线，铜线是金线的理想替代品。这主要得益于铜线更高的热导性，更低的电阻率、更高的拉伸力、和更慢的金属间的渗透，以及最主要的因素——更低的价格。

铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。随着技术的进步，市场已经对将铜线应用于超小间距，超高引脚数的焊接产品上表现出了持续增加的兴趣。铜材料本身具有的优越的机械，电性能和更慢的金属间的参透性导致更强更可靠的铜焊接。

就机械性能而言，根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。实验结果显示铜线的电阻率是1.60(μΩ/cm)，电导率是0.42(μΩ/cm)-1.这些结果说明铜线比金线导电性强33%。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在塑封的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。

虽然铜线有很多优点，但是金线和铜线都有它们各自的问题。在引线焊接工艺中应用铜线的主要问题是它的焊接能力。

如果把铜线打在软的、薄的键合垫金属层上，铜材料的硬度能够导致键合垫弹坑和键合垫开裂失效模式出现。由于这种破坏作用，在键合垫下铝金属层的变薄也会导致热老化失效。另外，由于铜材料易氧化，必须在焊接机器上增加一个铜工具包，使其中充满气体(95%N2/5%H2)，在这个铜工具包中才能形成铜真空球。易氧化性导致铜铝接触层开裂，从而相应的削弱铜铝焊接的强度。由于铜的熔点更高，需要更多的能量在合适的惰性气体的环境中形成真空球。

应用铜线的第二个挑战是第二键合点的焊接。目前，超小间距焊接技术和超细连线的技术只应用在球栅阵列的基板上。但是，短线这种失效模式会对机器维修间隔平均时间(MTBA)和机器的生产率造成严重的影响。因此，有必要重新考虑铜线的组成成分和制作工艺从而改进它的材料特性以满足高级联线焊接技术的应用。在本论文的研究中，根据第一焊接点和第二焊接点的焊接质量，铜线材料特性被重新检验。为了研究第一焊接点和第二焊接点的相关性，我们选用了几种具有不同微观材料特性的铜线作为实验对象。

试验方案

铜线焊接试验是在镀镍引脚上涂了金料的普通的球栅阵列基板上进行。两种不同类型的铜线产品样本作为实验对象来进行焊接工艺的优化试验，然后，采用经过充分优化的焊接工艺参数来比较两个铜线实验样本的性能。实验是在相同的焊接工艺参数下，分别使用这两种铜线样本来比较它们的性能。

用来做实验的铜线的直径都是25um，两个铜线试验样本A和B都拥有大于99.994%(4N)以上的铜纯度，但是它们掺有不同的杂质和采用了不同的加工工艺，在混合气体(95%N2/5%H2)中形成焊球，所有实验都在加装了铜装置的库力索法8028PPS焊接机台上进行。

除了通常的焊接参数，例如接触速度（Contact Velocity），焊接力（Bond Force），焊接时间(Time），超声波功率(Ultrasonic Power)和时间以外，在这次试验中还使用一个叫做初始焊接力（Initial Bond Force）的参数。实验使用库力索法公司的焊嘴(CUPRA)，试验温度是175℃。实验用的测试芯片的焊接垫尺寸为65um, 焊接垫与相邻焊接垫中心间间距是80um。焊接垫金属层由98.5%Al-1%Si-0.5%Cu组成，厚度为8000-10000Å。

为了获得测量细微结构和硬度的焊球样品，机器上设有一个特殊的程序，可以专门生成焊球用于测量。真空球的目标直径是50um(图1)。所有的实验样品在焊接前都经过等离子清洗以减少焊接面上附着的有机物。

试验中使用浓度50%的硝酸溶液除去焊接的铜球，而横断面试验是采用常规的金相学方法。硬度测量分别在从中心横断面切开的真空球上和焊接后的焊接球上进行。

第一点焊接特性

在焊接过程中，硅弹坑和焊接垫下开裂是两个关键的失效模式。当超声波能量震动和焊接力被使用时，焊接垫的下面会出现开裂。另外，它也许会以焊接垫剥落的失效模式出现。硅弹坑是指在焊接垫金属层下的硅层的破裂。在多数情况下，硅弹坑出现在拉伸测试试验中，这时，硅层被拉开，同时伴随着铜焊球脱离IC芯片。硅弹坑这种失效模式主要是由于强烈的超声波能量震动引起的，而焊接后的拉伸试验中的张力会加重它的失效程度。

真空球形成时，金属应力增强。在球焊接的过程中，由于塑性变形，硬度和强度都会增大。应力的大小是和在球焊接形成的过程中的产生的压力相互关联的。焊接后，球中的应力的大小和分布情况可以通过有限元建模的方法模拟出来。有限元分析显示应力分布的位置和硬度测试研究的结果相一致。球焊接形成中所产生的大部分应力发生在焊接球的外圈，与焊嘴的内侧斜面相一致。焊接球的中心部位的应力较小。和金线相比较，铜线在焊接中表现出了更强的应变强度。

铝喷溅会发生在用更强硬度的铜真空球在超声波的作用下去推击较软的铝金属层的过程中。图2显示了铝喷溅的情况。除非金属层被完全推开，或者是铝喷溅引起电路短路，铝喷溅本身并不是一个严重的问题。但是，焊接球下面的铝层厚度的不规则减少是一个问题。这可能会导致铜铝金属间渗透的不一致性，从而导致潜在的可靠性失效。另外，铝层厚度在一定程度上的减少也是必要的，因为这种铝层厚度的减少可以起到“阻尼垫”的作用，可以减小应力对下层结构的破坏。这种阻尼效果的减弱是和铝喷溅的程度成正比例的。理想情况是，焊接球下应该保持一定厚度的铝金属层。

● 铜线硬度

铜线的材料特性和焊接机的焊接参数的设定对于铜线焊接的质量具有关键影响。线的特性是指硬度，真空球的硬度和焊接后的焊球的硬度等。铜比金和铝的硬度都高，所以铜也更容易引起硅弹坑和焊接垫下开裂这两种失效模式，尤其是在又软又薄的焊接垫金属层上更是如此。比较两种铜线样本A和B, 根据图3所示的扫描电镜照片和图4所示的横断面照片，我们可以看到铜线A所引起的铝喷溅小于铜线B所引起的铝喷溅。这个现象是和铜线A的更小的真空球硬度相一致的。

在相同的焊接参数设定下，真空球硬度越小的铜线对铝层厚度的影响就越小。然而，一个越软的真空球可以减小硅弹坑对焊接垫的影响。

人们通常所认为的更高纯度的线是唯一一种达到更软的线的方法，从而改进焊接质量的想法是错误的。而试验显示，4N纯度的铜线，配以合适的添加杂质和生产加工工艺，在应用上不仅可以达到更软的铜线的性能要求，同时还可以获得比较稳定的线型以及比较高的拉伸和剪切数值（图5）。● 工艺参数的设定

对真空球硬度有进一步影响的是电子打火装置参数的设定，尤其是电子打火电流这个参数的设定。测量结果显示，电子打火电流增加可以导致真空球的硬度增加。另外，工艺参数的设定还会影响到焊接垫的金属喷溅。库力索法焊接机有一个参数叫初始焊接力(Initial Bond Force), 这个参数控制真空球对于焊接垫的影响，减小或者消除任何损坏。铜线焊接的质量要依赖焊接参数的设定，因为在焊接时，单靠铜线本身并不一定可以消除对焊接垫金属层的破坏。因此，焊接参数总是需要用试验设计的方法来进行优化。

在第一焊接点的优化中采用初始焊接力(Initial Bond Force)是因为焊接垫金属层太软而不能支撑铜线的焊接。初始焊接力(Initial Bond Force)还可以减少铝喷溅。在传统的焊接过程中，当焊接力增加时，硅弹坑发生率就会下降，但是焊接垫下开裂的现象就会增加。理论根据是，焊接开始时，初始焊接力(Initial Bond Force)挤压真空球到焊接垫，真空球就会变平，从而在实际焊接的过程中可以防止真空球穿透较柔软的焊接垫铝金属层，然后再应用低数值的常规的超声波和焊接力以防止焊接垫下开裂情况的出现。本文所设计的实验中都用到了初始焊接力(Initial Bond Force)这个参数。

第二焊点焊接特性的研究

第二焊点两种铜线样本的针脚拉伸试验的结果显示，B型铜线的针脚拉伸的数值大约增加了40%，通过电子显微镜观察发现，B型铜线的针脚焊接面积更大，这就可以解释为什么它的针脚拉伸数值更大。B型铜线之所以能更好的粘附在焊接引脚上的原因是它的更低的铜线硬度。这是因为当超声波和负载加在其上后它更容易变形。

图6 显示B型铜线经过针脚拉伸测试后附着在引脚上的针脚焊接残留更大更厚。而另一方面，A型铜线在月牙形张口处则经历了从延展性到脆性断裂的变化。相比较下的较少的针脚焊接残留物显示了线和引脚镀层之间粘结的不充分。

除去在设计的实验中一些最佳点处的拉力数值比较大以外，B型铜线还表现出了更大的工艺参数值的取值范围。对这个工艺参数的数值范围的要求是当工艺参数设定在这个取值范围内而进行生产连续作业时，没有第二焊点不粘（NSOL）或者短尾线这样的失效模式出现。这种明显增强的第二焊接点质量应该归功于B型铜线的经过改进的机械变形能力。

如前所述，两种铜线的微观结构不同（图7），而这才是机械性能不同背后的原因。B型铜线的组成颗粒更大，这也是张力和硬度测试试验中结果不同的原因。

而A型铜线则需要更大的超声波和焊接力输入值来达到线和引脚之间的最佳焊接。而这个更大的超声波和更大的焊接力输入值则会引起第二焊接点处的挤压结合面变得更小。相应的，就会得到一个更小的拉伸值。这个问题在超细间距焊接中更加明显。由于超细间距焊接需要更小的焊接垫和连接线的尺寸，相应的焊嘴前端的尺寸也要减小，焊嘴前端完成第二焊接的有效接触面积也会相应的减少。

结论

实验显示，不同机械特性的铜线会得到明显差异的焊接结果。第二焊接点受影响的因素包括：工艺参数的取值范围，针脚拉伸测试的数值和短线尾的表现等。第一焊接点受影响的因素包括：铝喷溅和焊接垫下开裂的程度大小等；另外，除了铜线本身的特性以外，真空球的硬度还很大程度上受到电子打火相关参数设定的影响；铝喷溅受到焊接的铜线的机械特性，焊接垫的特性以及工艺参数的影响。正确设定初始焊接力(Initial Bond Force)的数值会显著减少铝焊接垫的喷溅；组成成分和加工过程对铜线的机械特性具有显著的影响。但是铜线的纯度大于4N对于铜线的机械特性的改善而言并非必须的。

第二篇：先进焊接用软铜线材料特性研究

先进焊接用软铜线材料特性研究

作者：Jason Kam(jkam@kns.com)、Ho Hong Meng、Dominik Stephan、Dodgie Reigh M.Calpito、Klaus Dittmer、Ling Jamin、Goh Heng Mui，Kulicke & Soffa（S.E.A.）

铜线焊接应用于超小间距、超高引脚数、低k解决方案时，一些失效模式会严重影响焊接工序的成品率和生产率。这些失效模式包括，焊接垫金属层喷溅或者剥裂，引线针脚拉伸数值低，数值变化范围大，以及短尾线等。因此需要对铜线重新检验，改进它的特性以满足引线焊接工艺的要求。

铜线焊的挑战

近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈。作为连接导线，铜线是金线的理想替代品。这主要得益于铜线更高的热导性，更低的电阻率、更高的拉伸力、和更慢的金属间的渗透，以及最主要的因素——更低的价格。

铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。随着技术的进步，市场已经对将铜线应用于超小间距，超高引脚数的焊接产品上表现出了持续增加的兴趣。铜材料本身具有的优越的机械，电性能和更慢的金属间的参透性导致更强更可靠的铜焊接。

就机械性能而言，根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。实验结果显示铜线的电阻率是1.60(μΩ/cm)，电导率是0.42(μΩ/cm)-1.这些结果说明铜线比金线导电性强33%。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在塑封的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。

虽然铜线有很多优点，但是金线和铜线都有它们各自的问题。在引线焊接工艺中应用铜线的主要问题是它的焊接能力。

如果把铜线打在软的、薄的键合垫金属层上，铜材料的硬度能够导致键合垫弹坑和键合垫开裂失效模式出现。由于这种破坏作用，在键合垫下铝金属层的变薄也会导致热老化失效。另外，由于铜材料易氧化，必须在焊接机器上增加一个铜工具包，使其中充满气体(95%N2/5%H2)，在这个铜工具包中才能形成铜真空球。易氧化性导致铜铝接触层开裂，从而相应的削弱铜铝焊接的强度。由于铜的熔点更高，需要更多的能量在合适的惰性气体的环境中形成真空球。

应用铜线的第二个挑战是第二键合点的焊接。目前，超小间距焊接技术和超细连线的技术只应用在球栅阵列的基板上。但是，短线这种失效模式会对机器维修间隔平均时间(MTBA)和机器的生产率造成严重的影响。因此，有必要重新考虑铜线的组成成分和制作工艺从而改进它的材料特性以满足高级联线焊接技术的应用。在本论文的研究中，根据第一焊接点和第二焊接点的焊接质量，铜线材料特性被重新检验。为了研究第一焊接点和第二焊接点的相关性，我们选用了几种具有不同微观材料特性的铜线作为实验对象。

试验方案

铜线焊接试验是在镀镍引脚上涂了金料的普通的球栅阵列基板上进行。两种不同类型的铜线产品样本作为实验对象来进行焊接工艺的优化试验，然后，采用经过充分优化的焊接工艺参数来比较两个铜线实验样本的性能。实验是在相同的焊接工艺参数下，分别使用这两种铜线样本来比较它们的性能。

用来做实验的铜线的直径都是25um，两个铜线试验样本A和B都拥有大于99.994%(4N)以上的铜纯度，但是它们掺有不同的杂质和采用了不同的加工工艺，在混合气体(95%N2/5%H2)中形成焊球，所有实验都在加装了铜装置的库力索法8028PPS焊接机台上进行。

除了通常的焊接参数，例如接触速度（Contact Velocity），焊接力（Bond Force），焊接时间(Time），超声波功率(Ultrasonic Power)和时间以外，在这次试验中还使用一个叫做初始焊接力（Initial Bond Force）的参数。实验使用库力索法公司的焊嘴(CUPRA)，试验温度是175℃。实验用的测试芯片的焊接垫尺寸为65um, 焊接垫与相邻焊接垫中心间间距是80um。焊接垫金属层由98.5%Al-1%Si-0.5%Cu组成，厚度为8000-10000Å。为了获得测量细微结构和硬度的焊球样品，机器上设有一个特殊的程序，可以专门生成焊球用于测量。真空球的目标直径是50um(图1)。所有的实验样品在焊接前都经过等离子清洗以减少焊接面上附着的有机物。

试验中使用浓度50%的硝酸溶液除去焊接的铜球，而横断面试验是采用常规的金相学方法。硬度测量分别在从中心横断面切开的真空球上和焊接后的焊接球上进行。

第一点焊接特性

在焊接过程中，硅弹坑和焊接垫下开裂是两个关键的失效模式。当超声波能量震动和焊接力被使用时，焊接垫的下面会出现开裂。另外，它也许会以焊接垫剥落的失效模式出现。硅弹坑是指在焊接垫金属层下的硅层的破裂。在多数情况下，硅弹坑出现在拉伸测试试验中，这时，硅层被拉开，同时伴随着铜焊球脱离IC芯片。硅弹坑这种失效模式主要是由于强烈的超声波能量震动引起的，而焊接后的拉伸试验中的张力会加重它的失效程度。

真空球形成时，金属应力增强。在球焊接的过程中，由于塑性变形，硬度和强度都会增大。应力的大小是和在球焊接形成的过程中的产生的压力相互关联的。焊接后，球中的应力的大小和分布情况可以通过有限元建模的方法模拟出来。有限元分析显示应力分布的位置和硬度测试研究的结果相一致。球焊接形成中所产生的大部分应力发生在焊接球的外圈，与焊嘴的内侧斜面相一致。焊接球的中心部位的应力较小。和金线相比较，铜线在焊接中表现出了更强的应变强度。

铝喷溅会发生在用更强硬度的铜真空球在超声波的作用下去推击较软的铝金属层的过程中。图2显示了铝喷溅的情况。除非金属层被完全推开，或者是铝喷溅引起电路短路，铝喷溅本身并不是一个严重的问题。但是，焊接球下面的铝层厚度的不规则减少是一个问题。这可能会导致铜铝金属间渗透的不一致性，从而导致潜在的可靠性失效。另外，铝层厚度在一定程度上的减少也是必要的，因为这种铝层厚度的减少可以起到“阻尼垫”的作用，可以减小应力对下层结构的破坏。这种阻尼效果的减弱是和铝喷溅的程度成正比例的。理想情况是，焊接球下应该保持一定厚度的铝金属层。

● 铜线硬度

铜线的材料特性和焊接机的焊接参数的设定对于铜线焊接的质量具有关键影响。线的特性是指硬度，真空球的硬度和焊接后的焊球的硬度等。铜比金和铝的硬度都高，所以铜也更容易引起硅弹坑和焊接垫下开裂这两种失效模式，尤其是在又软又薄的焊接垫金属层上更是如此。比较两种铜线样本A和B, 根据图3所示的扫描电镜照片和图4所示的横断面照片，我们可以看到铜线A所引起的铝喷溅小于铜线B所引起的铝喷溅。这个现象是和铜线A的更小的真空球硬度相一致的。

在相同的焊接参数设定下，真空球硬度越小的铜线对铝层厚度的影响就越小。然而，一个越软的真空球可以减小硅弹坑对焊接垫的影响。

人们通常所认为的更高纯度的线是唯一一种达到更软的线的方法，从而改进焊接质量的想法是错误的。而试验显示，4N纯度的铜线，配以合适的添加杂质和生产加工工艺，在应用上不仅可以达到更软的铜线的性能要求，同时还可以获得比较稳定的线型以及比较高的拉伸和剪切数值（图5）。

● 工艺参数的设定

对真空球硬度有进一步影响的是电子打火装置参数的设定，尤其是电子打火电流这个参数的设定。测量结果显示，电子打火电流增加可以导致真空球的硬度增加。另外，工艺参数的设定还会影响到焊接垫的金属喷溅。库力索法焊接机有一个参数叫初始焊接力(Initial Bond Force), 这个参数控制真空球对于焊接垫的影响，减小或者消除任何损坏。铜线焊接的质量要依赖焊接参数的设定，因为在焊接时，单靠铜线本身并不一定可以消除对焊接垫金属层的破坏。因此，焊接参数总是需要用试验设计的方法来进行优化。

在第一焊接点的优化中采用初始焊接力(Initial Bond Force)是因为焊接垫金属层太软而不能支撑铜线的焊接。初始焊接力(Initial Bond Force)还可以减少铝喷溅。在传统的焊接过程中，当焊接力增加时，硅弹坑发生率就会下降，但是焊接垫下开裂的现象就会增加。理论根据是，焊接开始时，初始焊接力(Initial Bond Force)挤压真空球到焊接垫，真空球就会变平，从而在实际焊接的过程中可以防止真空球穿透较柔软的焊接垫铝金属层，然后再应用低数值的常规的超声波和焊接力以防止焊接垫下开裂情况的出现。本文所设计的实验中都用到了初始焊接力(Initial Bond Force)这个参数。

第二焊点焊接特性的研究

第二焊点两种铜线样本的针脚拉伸试验的结果显示，B型铜线的针脚拉伸的数值大约增加了40%，通过电子显微镜观察发现，B型铜线的针脚焊接面积更大，这就可以解释为什么它的针脚拉伸数值更大。B型铜线之所以能更好的粘附在焊接引脚上的原因是它的更低的铜线硬度。这是因为当超声波和负载加在其上后它更容易变形。

图6 显示B型铜线经过针脚拉伸测试后附着在引脚上的针脚焊接残留更大更厚。而另一方面，A型铜线在月牙形张口处则经历了从延展性到脆性断裂的变化。相比较下的较少的针脚焊接残留物显示了线和引脚镀层之间粘结的不充分。

除去在设计的实验中一些最佳点处的拉力数值比较大以外，B型铜线还表现出了更大的工艺参数值的取值范围。对这个工艺参数的数值范围的要求是当工艺参数设定在这个取值范围内而进行生产连续作业时，没有第二焊点不粘（NSOL）或者短尾线这样的失效模式出现。这种明显增强的第二焊接点质量应该归功于B型铜线的经过改进的机械变形能力。

如前所述，两种铜线的微观结构不同（图7），而这才是机械性能不同背后的原因。B型铜线的组成颗粒更大，这也是张力和硬度测试试验中结果不同的原因。

而A型铜线则需要更大的超声波和焊接力输入值来达到线和引脚之间的最佳焊接。而这个更大的超声波和更大的焊接力输入值则会引起第二焊接点处的挤压结合面变得更小。相应的，就会得到一个更小的拉伸值。这个问题在超细间距焊接中更加明显。由于超细间距焊接需要更小的焊接垫和连接线的尺寸，相应的焊嘴前端的尺寸也要减小，焊嘴前端完成第二焊接的有效接触面积也会相应的减少。

结论

实验显示，不同机械特性的铜线会得到明显差异的焊接结果。第二焊接点受影响的因素包括：工艺参数的取值范围，针脚拉伸测试的数值和短线尾的表现等。第一焊接点受影响的因素包括：铝喷溅和焊接垫下开裂的程度大小等；另外，除了铜线本身的特性以外，真空球的硬度还很大程度上受到电子打火相关参数设定的影响；铝喷溅受到焊接的铜线的机械特性，焊接垫的特性以及工艺参数的影响。正确设定初始焊接力(Initial Bond Force)的数值会显著减少铝焊接垫的喷溅；组成成分和加工过程对铜线的机械特性具有显著的影响。但是铜线的纯度大于4N对于铜线的机械特性的改善而言并非必须的。

丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。# r)Z, O6 l“ J9 a;U丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品

[2－6]。, W+ ^.E* b+ m)n(?-y8 e

铜丝球焊具有很多优势：

: c7 H7 n3 E5 ~% o0 S6 [!y ?)t2（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只

有金丝的1/3－1/10。

!B” e# N, o, z（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装； j4 g$ e% t+ a0 C（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；4 X8 H，x' O J6 s（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是“紫斑”（AuAl2）和“白斑”（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－Joon Kim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。a3 D# x# C' W* p1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：

-f ~;j/ O-u: u: K（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，g3 p.V0 p& G6 b)n;l（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。“ k9 D9 ^2 W3 f 本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。

!T5 e# [6 z2 F# p

% f/ v3 V4 h/ W2 m0 x2 试验材料及方法 , e& T;J+ E5 k/ {7 n键合设备采用K＆S公司生产的Nu-Tek丝球焊机，超声频率为120m赫兹，铜丝球焊时，增加了一套Copper Kit防氧化保护装置，为烧球过程和键合过程提供可靠的还原性气体保护（95％N25％H2），芯片焊盘为Al＋1％Si＋0.5％Cu金属化层，厚度为3μm。引线性能如表1所示。)M# i% |9 y% j& `/ g.Z% H3 |+ U/ J: s-{6 h采用DOE实验对键合参数（主要为超声功率、键合时间、键合压力和预热温度四个参数）进行了优化，同时把能量施加方式做了改进，采用两阶段能量施加方法进行键合，首先在接触阶段（第一阶段），以较大的键合压力和较低的超声功率共同作用于金属球（FAB），使其发生较大的塑性变形，形成焊点的初步形貌；随之用较低的键合压力和较高超声功率来完成最后的连接过程（第二阶段），焊点界面结合强度主要取决于第二阶段，本文所采用的键合参数，如表2所示。

” + W0 @# w9 ?3 r& Y* E8 q.t& s/ C# U, {' Z 为加速焊点界面组织演变，在200℃下采用恒温老化炉进行老化实验，老化时间分别为n2天（n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）。为防止焊点在老化过程中被氧化，需要在老化过程中进行氮气保

护。8 t-]0 k8 m(}, G 焊点的横截面按照标准的制样过程进行制备。但由于焊点的尺寸原因需要特别精心，首先采用树脂进行密封，在水砂纸上掩模到2000号精度，保证横截面在焊点正中，再采用1.0μm粒度的金刚石掩模剂在金丝绒专用布上抛光，HITACHIS－4700扫描电镜抓取了试样表面的被散射电子像，EDX分析界面组成成分。7 q9 r' $ ?3 a.I* _# k6 % m 剪切实验和拉伸实验是研究焊点力学性能和失效模式的主要实验方法，采用Royce 580测试仪对各种老化条件下的焊点进行剪切实验和拉伸实验，记录焊点的剪切断裂载荷和拉伸断裂载荷，剪切实验时，劈刀距离焊盘表面4μm，以5μm/s的速度沿水平方向推动焊点，Olympus STM6光学显微镜观察记录焊点失效模式，对于每个老化条件，分别48个焊点用于剪切实验和拉伸实验，以满足正态分布。v(w# r: T/ H6

g0 ]% t

(R0 T5 P)I;C0 K-u3 试验结果与分析

# L5 L, t/ f8 ` ~(W' [(W# ^)h.[3.1 金、铜丝球焊焊点金属间化合物成长# x+ k“ f-A-}0 丝球焊是在一定的温度和压力下，超声作用很短时间内（一般为几十毫秒）完成，而且键合温度远没有达到金属熔点，原子互扩散来不及进行，因此在键合刚结束时很难形成金属间化合物，对焊点进行200℃老化，如图1所示。金丝球焊焊点老化1天形成了约8μm厚的金属间化合物层，EDX成分分析表明生成的金属间化合物为Au4Al为和Au5AL2，老化时间4天时出现了明显的Kirkendall空洞，铜丝球焊焊点生成金属间化合物的速率要比金丝球焊慢很多，如图2所示，在老化9天后没有发现明显的金属间化合物，在老化16天时，发现了很薄的Cu/Al金属间化合物层（由于Cu和Al在300℃以下固溶度非常小，因此认为生成的Cu/Al相是金属间化合物），图3显示了老化121天时其厚度也不超过1μm，没有出现kirkendall

空洞。4 ?2 C4 V.B* ] * j” M$ P y4 在温度、压力等外界因素一定的情况下，影响两种元素生成金属间化合物速率的主要因素有晶格类型、原子尺寸、电负性、原子序数和结合能。Cu和Au都是面心立方晶格，都为第IB族元素，而且结合能相近，但是Cu与Al原子尺寸差比Au与AL原子尺寸差大，Cu和AL电负性差较小，导致Cu/Al生成金属间化合物比Au/Al生成金属间化合物慢。& p-u-s;q2 x% Y4 U% G

3.2 金、铜丝球焊焊点剪切断裂载荷和失效模式 T9 ]7 ~4 M$ V图4显示了金、铜丝球焊第一焊点（球焊点）剪切断裂载荷老化时间的变化，可以看到，无论对于金球焊点还是铜球焊点，其剪切断裂载荷在很长一段时间内随老化时间增加而增加，随后剪切断裂载荷下降，这主要与不同老化阶段剪切失效模式不同有关，同时可以发现，铜球焊点具有比金球焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在未老化及老化一定时间内，铜球焊点的剪切断裂载荷比金球焊点好，老化时间增长后，铜球焊点剪切断裂载荷不如金球焊点，但此时金球焊点内部出现大量Kirkendall空洞及裂纹，导致其电气性能急剧下降，而铜球焊点没有出现空洞及裂纹，其电气性能较好。0 L4 B5 v" f!i' ]6 W7

r+ b(o2 T& ~& M & i!]4 M;p& R(C6 T6 F对于金球焊点，剪切实验共发现了5种失效模式：完全剥离（沿球与铝层界面剥离）、金球残留、铝层断裂、球内断裂和弹坑，图5显示了金球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，未老化时，Au/Al为还没有形成金属间化合物，剪切失效模式为完全剥离，由于Au/Al老化过程中很快生成金属间化合物，失效模式在老化初期马上发展为以铝层剥离为主：随后，铝层消耗完毕，老化中期失效模式以金球残留为主，此时断裂发生在金属间化合物与金球界面；老化100天以后金球内部断裂急剧增加，成为主要失效模式，导致剪切断裂载荷降低。m(O& T Z8 m.y8 t5 p对于铜球焊点，剪切实验共发现了4种失效模式：完全剥离、铜球残留、铝层断裂和弹坑。图6显示了铜球焊点剪切失效模式随老化时间的变化，由于铜球焊点200℃时生成金属间化合物很慢，因此其剪切失效模式在老化较长时间内以完全剥离为主：弹坑随老化进行逐渐增多，尤其老化81天后，应力型弹坑大量增加，导致剪切断裂载荷下降，图7所示为弹坑数量随老化时间变化，需要说明的是弹坑包括应力型弹坑和剪切性弹坑，应力型弹坑为剪切实验之前就已经存在的缺陷，而剪切型弹坑是由于接头连接强度高，在剪切实验过程中产生，因此只有应力型弹坑是导致剪切断裂载荷下降的原因，相对金球焊点，铜球焊点剪切出现弹坑较多，主要是因为铜丝球焊键合压力比金丝球焊大。8 p7 k7 Z+

Z-o1 t/ O6 D , j+ i.m4 , ?$ e7 w 2.3 金、铜丝球焊拉伸断裂载荷和失效模式.R2 f$ y-q2 A6 z 图8显示了金、铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间的变化，金丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间变化不大，拉伸断裂模式以第一焊点和中间引线断裂为主。铜丝球焊拉伸断裂载荷随老化时间不断下降，由于铜的塑性比金差，而且铜丝球焊第二焊点键合压力比金丝球焊大很多，因此铜丝球焊第二焊点比金丝球焊变形损伤大，铜丝球焊拉伸时容易发生第二焊点断裂，第二焊点断裂又分为鱼尾处断裂（根部断裂）和焊点剥离（引线和焊盘界面剥离），如图9所示，铜丝球焊拉伸在老化初期为鱼尾处断裂，老化16天以后焊点剥离逐渐增多，主要是因为铜丝球焊老化过程中第二焊点被氧化，从而也导致拉伸断裂载荷下降。Z2 P-W2 O* U1 q: d4 结论

* a' T9 C, P& ~% E, `.h（1）铜丝球焊焊点的金属间化合物生长速率比金丝球焊焊点慢得多，认为Cu与Al原子尺寸差Au与Al原子尺寸差大，Cu和Al电负性差较小是其本质原因。

& c+ d: a;Y* O3 |' d;G.c, t（2）铜丝球焊焊点具有比金丝球焊焊点更稳定的剪切断裂载荷，并且在老化一定时间内铜丝球焊焊点表现出更好的力学性能。!U(}.` X8 G0 [$ W' S0 U（3）铜丝球焊焊点和金丝球焊焊点老化后的失效模式有较大差别

第三篇：先进材料的焊接

Ti-Al金属间化合物焊接性分析

摘要：TiAl合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的高温力学性能和优异的抗氧化性能等优点，是未来应用于航空、航天飞行器热端部件的理想候选材料。相比于传统应用的Ni基高温合金，TiAl合金的部分取代能够显著减轻飞行器的重量，提高其飞行及发射效率。因此，研究TiAl合金与Ni基高温合金的连接对于TiAl合金在航空航天、武器制造等领域的广泛应用具有非常重要的意义。文主要介绍了Ni-Al金属间化合物在钎焊、搅拌摩擦焊、电子束焊焊接性的分析。Ti-Al金属间化合物钎焊焊接性分析

1.1 TiAl与Ni基合金接触反应钎焊性[1] 以Ti为中间层实现了TiAl与Ni基合金的接触反应钎焊。采用扫描电镜和电子探针等手段对钎焊接头的界面结构及生成相进行分析，并对接头剪切强度进行测试。结果表明：当钎焊温度为960℃时，钎缝主要由Ti。和Ti2Ni组成；当钎焊温度从960℃升高到1000℃时，钎缝中生成Ti—Al及A1一Ni—Ti化合物，典型界面结构为：GH99／(Ni，Cr)。／Ti2Ni+A1Ni2Ti+TiNi／Ti3A1+A13NiTi2／Ti3Al+A13NiTi2／TiAl；钎焊温度继续升高，Ti3Al和A13NiTi2变得粗大，导致接头性能下降。当钎焊温度为1000℃，保温10min时，接头剪切强度达到最大值233MPa。随钎焊温度的升高，钎缝厚度先增加后减小

1)采用Ti作中间层，可以实现TiAI合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接。

2)当钎焊温度为960℃时，钎缝主要由Tiss+Ti2Ni组成，随着钎焊温度的升高，进入钎缝中的Al原子增多，开始生成Ti．Al及Al—Ni—Ti的化合物。当钎焊温度为1000℃，保温10rain时，钎焊接头的典型界面组织结构为：GH99／(Ni，Cr)。／Ti2Ni+A1Ni2Ti+TiNi／Ti3AI+A13NiTi2／Ti3A1+A13NiTi2／TiAl。此外，随着钎焊温度的升高，钎缝厚度先增加后减小。

3)在所选的试验参数范围内，随着钎焊温度的升高接头的剪切强度先升高后降低，当钎焊温度为1000℃，保温10min时，接头的剪切强度值最高，达到233MPa。

4)接头的界面反应过程分为4个阶段：固相扩散及反应阶段、液相产生阶段、等温凝固阶段和残余液相凝固析出阶段。

1.2 TiAI合金与42CrMo钢钎焊接分析[2] 在1143～1213K、120～1500s参数范围内以Ag．Cu—Ti箔为钎料对TiAI合金与42CrMo钢进行了真空钎焊试验。采用光学显微镜、扫描电镜、元素面扫描和能谱分析等方法对界面组织进行了分析，测量了界面反应层厚度。分祈了界面反应层的形成过程及受控因素，计算了反应层成长的动力学参数。结果表明，接头界面反应层包括靠近TiAl合金的A1CuTi+Ti3AI层、AICu2Ti层以及靠近42CrMo钢的TiC层，其成长活化能分别为324.97、207.97、338.03kJ/mol。TiAl合金与钎科的界面反应层受控于液态钎料中的Cu元素，成长较快；42CrMo钢与钎料间的TiC层受控于固态钢中C元素，成长较慢。脆性反应层A1CuTi+Ti3A1层厚度为3.3um时接头强度最高，脆性层厚度继续增大，接头强度显著下降。

1)TiAl／Ag-Cu／Ti／Ag—Cu／42CrMo钎焊接头界面反应层包括：靠近TiAI合金的Ti3AI+AICuTi层、A1Cu2Ti层以及靠近42CrMo钢的TiC层。

2)AICu2Ti反应层依附于TiAl合金母材形成并长大，Ti、A1的扩散路径相对较短，液态钎料合金又可以源源不断地提供Cu，长大速度相对较大；A1CuTi+Ti3A1反应层的成长受制于Cu原子在固相A1Cu2Ti中的扩散，因而长大速度相对较小；TiC的生长受控于来自固态42CrMo钢中的C元素，因此，TiC的生成速度相对很小，反应层的厚度也一直很小。

3)计算得到TiAl／AgCuTi／42CrMo钎焊接头界面TiC、A1Cu2Ti和Ti3AI+A1CuTi反应层成长的动力学参数，基于试验测量的数据，采用数学拟合的方法得出头强度最好；超过4gm时接头力学性能显著下降。Ti-Al金属间化合物摩擦焊焊接性分析

2.1 Ti-Al金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊焊接性分析[3] 焊接接头的宏观形态表明见图1,TiAl的宏观变形程度小于NiCr20TiAl，飞边较小；NiCr20TiAl一侧变形较大，相应的飞边也较大。表明在焊接温度下的高温强度远大于。(1)TiAl与NiCr20TiAl摩擦焊接优化工艺规范为：Pf为3.6MPa,Pd为5.22,tf为4.5s，td为5.0s;接头拉伸强度可达到390MPa以上；

(2)在摩擦焊接过程热力耦合的作用下，界面近区均发生了动态再结晶，并形成细晶层，而TiAl侧的变形程度较低。

(3)TiAl和NiCr20TiAl主要合金元素在界面两侧的小幅扩散，是其实现固态连接的主因;尤其在界面区未见脆性相生成，表明采用摩擦焊接技术连接TiAl与NiCr20TiAl是可行的。

图1 TiAl-NiCr20TiAl摩擦焊接头宏观形貌 3 Ti-Al金属间化合物电子束焊焊接性分析

3.1金属间化合物Ni3Al材料电子束焊[4] 定向凝固Ni3AI基高温台金电子柬焊琏中所产生的裂纹有宏观裂纹，此外微观裂纹均在熔台线附近沿晶界开裂，在显微镜下观察时，可以发现具有晶间破坏的特征，在有些焊缝的断面上发现有氧化，说明裂纹是在高温下产生的，因此，分析该裂纹为热裂纹。产生热裂纹的因素是复杂的，是多方面的，但概括起来，主要是冶金因素和应力因素，二者之间既有内在的联系，又有各自独立的变化规律。但就具体的焊接件而言，产生热裂纹往往是冶金因素和应力因素共同作用的结果。

(1)定向凝固Ni3Al基高温合垒电子柬焊缝易产生热裂纹，目前尚不能完全消除。

(2)在定向凝固Ni3A1基商温台盒电子柬焊接时，增大电子柬加速电压、提高焊接速度，并采用聚焦焊接等方法，可以减少焊箍产生热裂纹。(3)由于定向凝固N3Al基高温台金为一种新登材料，要彻底消除熔焊焊缝中热裂纹的产生。言先捌在不降低其原有的性能的弼时，改进材料的焊接性I其次，在定向凝固Ni，AI基高温合金电子柬焊缝中蔼加第三种金属，以减少热裂纹的产生．添加第三种童属的厚度和成分还有待进一步试验、研究。参考文献

李海新，林铁松，何鹏，王显军，冯吉才.TiAI与Ni基合金接触反应钎焊接头界面组织及性能.稀有金属材料与工程,2012.11.李玉龙，冯吉才，何鹏，杨瑾.TiAI合金与42CrMo钢钎焊接头界面反应层成长及其对力学性能的影响.稀有金属材料与工程.2012.10.王忠平，钟燕，张立军，周正航等Ti-Al金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊接分析.电焊机,2004.9.毛智勇，左从进.金属间化合物Ni。Al材料电子束焊接性研究.材料工程.2001.

第四篇：焊接先进班组

先进班组总结

冬风乱舞，瑞雪纷飞，天气在渐渐变冷，2011年即将过去，新的一年即将开始。我们所在的伊犁南岗化工年产12万吨PVC联合化工项目工程是我们六公司在新疆重要的战地，在这一年的工作中我们收获颇丰，随着工程的不断进展，在于队的带领下，我们焊接班组在这一年里取得了非常优越的成绩。

我们十一队在此PVC工程中主要负责聚合、干燥、供料回收、压缩、精馏、尾气净化、空压制氮及冷冻、单体储存、转化和提氢各车间的设备安装及供料回收、精馏、空压制氮及冷冻等部分车间的钢结构安装。现如今我们焊接小组已经完成230吨钢结构的预制焊接安装，并配合吊装小组安装大小设备近80台。在整个施工过程中我们虽然面对重重困难，层层挑战，但是我们迎难而上，勇敢面对！在于队的领导下，我们焊接班组用最短的时间取得了最大的效益，拿到了最好的成绩。

一个班组的发展是具有多面性的，而基础工作十分重要的也是非常必要的，因为基础工作包含好多内容，基础工作做的好不好会直接影响到班组的凝聚力，质量，安全等工作的完成。一个班组是否有活力，有竞争力，首先是看班组的凝聚力，因为只有具有了凝聚力整个班组才会具有战斗力，而这个凝聚力体现是全体人员有一个共同的奋斗目标，有一个核心的人，并且由核心的人带领大家共同为实现这个目标。班组长就是这里的核心人物。我们的班组长作为一个班组长，特别是施工一线的班组长他深刻地知道他的责任的重大，因为焊接施工一线的工作是要靠他来安排部署的，而他深知在大家眼里他就是个排头兵，他的一言一行直接或间接的都会对大家产生影响，所以他在日常的工作中是十分的注意的，即使自己有心烦的事他也会注意自己的言行，尽量不会让他的情绪让大家看出来以免影响到大家。质量、安全工作是也是一个班组的工作重点，是我们时时刻刻都注意的，因为钢结构的焊接、吊装及设备的焊接、吊装，好多都是高空作业，比较危险。所在的工作环境比较复杂，而接触的大多数都是重型设备，钢铁物件，如各种各样的设备及钢结构和钢筋等。一旦出现事故后果是十分严重的，平时空闲的时间班组长就给大家讲解安全问题，分析各种安全事故以及产生的原因，避免事故发生的方法。发现一但有违章的行为立即给予纠正，并且告诉其违章有可能带来的后果。在施工过程中要把现场情况考虑全面，并且仔细复查，稍有疏忽就会造成事故的发生，这是大家都不愿看到的。

焊接班组是我们安装十一队的重要班组，焊接组成员经常在施工前就要认真考虑施工过程中可能会出现的问题，以及各种问题的解决方法，尽可能的做到未雨绸缪，并且早发现问题早解决，提前做好施工方案，做好一切前期准备工作，这样就能提高施工效率，以避免窝工和浪费材料和人工的现象出现，也能提高焊接施工的安全系数。例如：精馏车间由于设备安装工程的需要，该车间的钢结构平台及室外钢梯必须最短时间内施工并完成。焊接施工难度大，施工工期紧，于是经过十一队领导和技术员研究决定，成立焊接攻坚小组，对此工程发起一场攻坚战。焊接组艰苦奋斗，不怕困难，迎难而上。克服现场高空作业严寒酷冷环境，加班加点，在保证员工的安全和焊接的质量前提下和时间赛跑，抢工期，抢进度，经过焊接攻坚小组近10天的紧张施工，最终将该工程在项目部和业主规定的时间内焊接安装完毕，为设备安装工程创造了有利的施工条件，保证了施工正常进度。因此我们焊接小组得到了项目部表扬与业主的一致好评。

总之在即将过去的一年里，在全体班组员工的共同努力下，我们圆满的完成了公司交给我们的焊接任务，我想这就得意于我们的班组基础工作做的比较好，具有一定的战斗力，在明年的工作中我们将继续发挥长处，克服缺点，提高我们的焊接技能、改进我们的工作方法，将所有焊接项目做好，我们要为公司取得更大的利益而努力，为六公司的发展而奋斗，我相信六公司的明天会更加辉煌！

。。。焊接组

2011年12月8日

第五篇：焊接熟练工先进事迹材料

焊接熟练工先进事迹材料作为一名焊接熟练工，刘丰昌在**车间从事焊接工作期间，兢兢业业，不多言，不多事，服从分配，勤奋好学，掌握了一手过硬的焊接技术，熟悉了焊接流程和要领，成为车间的技术骨干和操作能手，配合团队圆满完成各项生产任务，并保持较高的探伤合格率，为工程进度的顺利进行贡献了不可磨灭的贡献。该员工工作态度端正，坚守岗位，认真负责，出色完成自己任务的同时，积极协助同事，在团队中带起了一股传帮带的良好氛围，使整个焊接团队拧成一股绳，效率明显提高。刘丰昌在工作中能过认真对待每一项工作，热心为大家服务，越是困难的地方，越能迎难而上。该员工遵守劳动纪律，保证按时出勤，出勤率高，有效利用工作时间，保证工作按时完成，工作质量优秀，效率高，是团队中优秀的骨干人才。

1、个人能力强，技术突出。作为一名熟练焊接工，刘丰昌凭借出色的技术，在焊接工作中能够出色的完成了各项生产任务，焊缝美观，合格率高，有效的保证了工程进度的顺利开展。

2、具有良好的团队精神。