CN112171098A - 一种基于微弧放电的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微弧放电的连接方法，包括以下步骤：将引线安装并成型，安装焊盘，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙，启动焊接电源；逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电；当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源。本发明为实现高熔点以及高硬度和刚度的引线与电极直接连接提供方法，由于熔化的金属更多，使得金属与引线的接触面积更大，从而增加引线与金属之间的摩擦力，增加焊接强度，焊接接头性能得到显著提升，焊接更加牢固，同时，不需要涂覆金浆等进行再烧制，使得工艺简单，并且缩短了连接所需的时间，无需加热，在常温下就可以实现连接，对部件的损伤小，工艺可控性强。

Description

一种基于微弧放电的连接方法
技术领域
本发明涉及微纳连接技术领域，尤其涉及一种基于微弧放电的连接方法。
背景技术
电极引线是半导体电子元器件信号传递必不可少的部分。气敏元件电极引线要求电极材料具有良好的导电性，同时由于气敏元件敏感体在制备过程中需要高温烧结，要求电极引线材料具有良好的抗高温氧化性能。再则，气敏元件的使用环境通常有腐蚀性气氛，又要求电极材料具有良好的抗化学腐蚀性能。此外，电极引线需要支撑敏感体，并能承受振动以及50g重力加速度的冲击试验，所以电极引线还需要具备一定的强度。目前，国内外一般采用Pt及其合金材料。
在电子元器件制造过程中，引线与电极的连接常采用金浆烧结工艺。该连接技术具有工艺复杂、一致性差和成本高等问题。为了解决上述问题，在电子元器件制造过程中，需要将引线与电极直接连接在一起。引线键合可用于焊接Pt、Pd及其它较硬线材，然而对于一些高硬度、强度以及高熔点的合金丝，在焊接过程很难软化，不易形成连接。对于微激光焊可用于焊接PtIr合金或者Pt线，然而由于微激光焊在焊接时由于激光热量较大，会使热膨胀系数和收缩率不同的陶瓷基底和微米级厚度的金属薄膜受热后起皱或被打碎，从而导致薄膜的传导电路断路。微电阻焊可用于焊接Pt线及其合金材料，然而，微电阻焊接的接头强度较低，且一致性较差。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种可对高熔点以及高硬度和刚度的引线与焊盘的基于微弧放电的连接方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于微弧放电的连接方法，包括以下步骤：
(1)将引线安装并成型，安装焊盘，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙，启动焊接电源；
(2)逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电；
(3)当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，将引线安装并成型具体为：将引线穿过毛细管并对毛细管进行夹持，将引线的尾端成型为尖端或平端。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙具体为：将引线沿Z轴方向移动和/或焊盘沿XY轴方向移动使得引线与焊盘垂直并保持一定的初始间隙。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)具体为：将引线沿Z轴方向移动，逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)具体为：当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源的同时使得引线的尾端与焊盘接触并形成0.1-30g的压力。
作为本发明的进一步改进，所述引线为高熔点材料或高熔点合金材料，所述引线的直径为0-100μm，所述引线的长度为0.8-1.2cm。
作为本发明的进一步改进，所述引线的尾端与焊盘之间的初始间隙为0-100μm。
作为本发明的进一步改进，所述焊盘的基底材料为半导体材料，所述焊盘的基底厚度为0-250μm，所述焊盘的镀层材料为金属材料，所述焊盘的镀层厚度为微米级别。
作为本发明的进一步改进，所述焊接电源为直流电源，直流电源的电压为0-200V、电流为0-0.1A；或者所述焊接电源为交变电源，交变电源的电压为0-120V、电流为0-5A。
作为本发明的进一步改进，所述引线的移动速度为1μm/ns，所述电弧放电时间为1-1000ns。
本发明的有益效果是：
本发明为实现高熔点以及高硬度和刚度的引线与电极直接连接提供方法，由于熔化的金属更多，使得金属与引线的接触面积更大，从而增加引线与金属之间的摩擦力，增加焊接强度，焊接接头性能得到显著提升，焊接更加牢固，同时，不需要涂覆金浆等进行再烧制，使得工艺简单，并且缩短了连接所需的时间，无需加热，在常温下就可以实现连接，对部件的损伤小。工艺可控性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的基于微弧放电的连接方法的流程图；
图2是本发明的优选实施例的焊接设备的结构示意图；
图3为图2中A的放大示意图；
图4为本发明的优选实施例的工作台的俯视图；
图5为本发明的优选实施例的力施加装置的结构示意图；
图6为本发明的优选实施例一的引线与焊盘的结构示意图；
图7为本发明的优选实施例一的引线与焊盘接触连接的状态示意图；
图8为本发明的优选实施例二的引线与焊盘的结构示意图；
图9为本发明的优选实施例二的引线与焊盘接触连接的状态示意图；
图10为本发明的轴向方向无力作用下的引线与焊盘接触的状态示意图；
图11为本发明的轴向方向施加一定力条件下，爬升效果示意图；
图中：1、XY轴移动平台，2、工作台，3、显微镜，4、基座，5、力施加装置，6、Z轴移动机构，7、陶瓷瓷嘴，8、焊盘，9、引线，21楔形挡板，22、楔形块，23、内六角螺栓，51、电磁铁，52、支架，53、转轴，54、长杆，55、安装件，61、伺服电机，62、丝杠组件，81、基底，82、镀层，91、尖端，92、平端，10、第一连接界面，11、第二连接界面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于微弧放电的连接方法，包括以下步骤：
(1)将引线安装并成型，安装焊盘，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙，启动焊接电源。
步骤(1)中，将引线安装并成型具体为：将引线穿过毛细管并对毛细管进行夹持，将引线的尾端成型为尖端或尾端。引线的尾端成型为尖端可以增加电弧密度，提高能量密度，降低放电电压阈值，节约能源；引线的尾端成型为平端可以增加电弧的数量，使得电弧作用区域增大，熔化更多的金属，增加熔化的金属在接头表面的润湿效果，从而提高接头的性能，同时也降低电弧击穿镀层的几率。
优选地，毛细管为陶瓷瓷嘴，结构简单，适用于大批量的生产，且绝缘性能好，使用方便，同时，由于陶瓷瓷嘴是绝缘、不导电，所以在焊接过程中不会产生电损耗以及对其他部件(电机、电子部件等)产生影响。可以理解的是，毛细管并不局限于陶瓷瓷嘴，也可以为鳄鱼夹、机械爪子等部件，安装时与Z轴安装处有一定的电隔离，以防止对其他部件造成损坏。
优选地，利用砂纸或者打磨笔等工具，打磨引线的尾端使其尾端成型为尖端；或者利用镊子将引线的尾端弯曲90°，使引线的尾端成型为平端。
步骤(1)中，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙具体为：将引线沿Z轴方向移动和/或焊盘沿XY轴方向移动使得引线与焊盘垂直并保持一定的初始间隙，能够降低施加的实际电压值，降低烧飞引线的几率。
优选地，引线的尾端与焊盘之间的初始间隙为0-100μm。
优选地，在启动焊接电源前，还包括该步骤：使用两根导线，其中一根导线的两端分别连接引线的顶端与焊接电源的负极，另一根导线的两端分别连接焊盘与焊接电源的正极，以提供焊接所需的能量。
优选地，引线为高熔点材料或高熔点合金材料，所述引线的直径为0-100μm，所述引线的长度为0.8-1.2cm。更优选地，引线的材料为铂、钯、钼、钨、铂钨合金、钯钨合金或钼钨合金。
优选地，焊盘的基底材料为半导体材料，焊盘的基底厚度为0-250μm，焊盘的镀层材料为金属材料，焊盘的镀层厚度为微米级别。更优选地，焊盘的基底材料为金属、陶瓷或者硅，焊盘的镀层材料为金、银或铜。
优选地，焊接电源为直流电源，直流电源的电压为0-200V、电流为0-0.1A；或者焊接电源为交变电源，交变电源的电压为0-120V、电流为0-5A。
优选地，在步骤(1)之前，还包括使用400目的砂纸打磨引线的尾端来去除表面的污染物，便于后续的电弧放电。
(2)逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电。
步骤(2)具体为：将引线沿Z轴方向移动，逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电，使引线的尾端烧蚀和焊盘上金属熔化，电弧放电产生的高温使熔化的金属在引线表面润湿铺展并爬升。更优选地，在电弧放电过程中，不断减小引线的尾端与焊盘之间的间隙，使得电弧放电稳定。更优选地，在焊接过程中，引线的移动速度为1μm/ns，电弧放电时间为1-1000ns。
(3)立即关闭焊接电源，使引线与焊盘连接，能够降低焊接电源损坏的几率，提高焊接电源的可持续性使用，减少电流对焊点的影响。
步骤(3)具体为：当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源的同时使得引线的尾端与焊盘接触并形成0.1-30g的压力。由于电弧使焊盘上的金属熔化，当引线的尾端与焊盘接触时，此时的状态可用图10-a表示，此时的引线与液态的金属之间的接触面积较少，随后液态的金属在表面张力以及毛细血管力的作用下，开始向引线表面润湿铺展并爬升，爬升到A1，h1是无力作用下的爬升高度，如图10-b所示，然而由于材料的性质以及重力作用下，此时爬升高度一般很难爬升到B点或者超过B点。当接触之后，施加一定的力F时，此时在力F的作用下，液态的金属的爬升效果得到显著的提升，液态的金属可以轻松的爬过B点，根据几何关系，当液态金属爬升过B点后，其将会加速铺展，爬升到A2，h2是力作用下的爬升高度，如图11所示。通过施加外力，引线与焊盘的金属的接触面积得到增加，从而使得接头的力学性能得到显著的提高，焊盘与引线焊接更加牢固。
优选地，在2s内关闭焊接电源，进一步降低焊接电源损坏的几率，提高焊接电源的可持续性使用，减少电流对焊点的影响。
如图2、图3所示，本发明还公开了一种焊接设备，包括XY轴移动平台1、工作台2、显微镜3、基座4、力施加装置5、Z轴移动机构6和陶瓷瓷嘴7，工作台2安装在XY轴移动平台1上，焊盘8安装在工作台2上，Z轴移动机构6安装在基座4上，力施加装置5安装在Z轴移动机构6上，陶瓷瓷嘴7安装在力施加装置5上，引线9穿过陶瓷瓷嘴7，XY轴移动平台1能够带动工作台2沿XY轴方向移动，从而带动焊盘8沿XY轴方向移动，Z轴移动机构6能够带动力施加装置5沿Z轴方向移动，从而带动引线9沿Z轴方向移动。
如图4所示，工作台2包括楔形挡板21、可移动的楔形块22。焊盘8固定在工作台2上的具体步骤如下：首先松开楔形块22中间处的内六角螺栓23，使楔形挡板21与楔形块22之间具有一定的距离，然后将焊盘8放入楔形挡板21与楔形块22之间，扭紧内六角螺栓23，从而完成焊盘8的固定。
其中，显微镜3的作用：1)方便观察焊盘8、陶瓷瓷嘴7以及引线9的状态，从而在焊接之前，适当调节位置；2)便于观察与操作引线9的尾端的成型；3)焊接后可对接头的质量进行初步的观察。
优选地，Z轴移动机构6包括由伺服电机61驱动的丝杠组件62。
如图5所示，力施加装置5包括电磁铁51、支架52、转轴53、长杆54和安装件55。当给电磁铁51通电后，即线圈得电后，产生磁能，将中间的可动铁芯磁化然后产生一个往前或者往后的动作，此时使支架52绕转轴53旋转一个角度，支架52旋转的角度使得安装在支架52上的长杆54倾斜，陶瓷瓷嘴7抵在工作台2上，对焊盘8施加一定的力。由于长杆54较长，一般可认为长杆54的转动很小，其力的大小可以通过控制电磁铁51的电流来实现。
下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一
如图6所示，引线9为铂钨合金线，直径为40μm，长度为1cm，其尾端为尖端91，尖端91夹角B为60°。焊盘8呈长方形，焊盘8的基底81材料为三氧化二铝陶瓷，焊盘8的镀层82材料为金，焊盘8的尺寸大小为1mm×0.25mm，焊盘8为金焊盘。铂钨合金线垂直金焊盘，且铂钨合金线与金焊盘之间的初始间隙为100μm。在焊接过程中，Z轴移动机构6均保持1μm/ns的移动速度。焊接电源为直流电源，直流电源的电压为100V，电流为0.05A。电弧放电时间为500ns。
将铂钨合金线穿过陶瓷瓷嘴7并将陶瓷瓷嘴7安装在力施加装置5上，力施加装置5夹持在Z轴移动机构6上，将铂钨合金线的尾端打磨成尖端91，再将金焊盘固定在工作台2上，并将工作台2安装在XY轴运动平台1上，移动XY轴运动平台1使得铂钨合金线与金焊盘垂直并使得铂钨合金线的尖端91与金焊盘之间的初始间隙为100μm，使用两根铜线，其中一根铜线的两端分别连接铂钨合金线的顶端与直流电源的负极，另一根铜线的两端分别连接金焊盘与直流电源的正极，随后启动直流电源；
通过Z轴移动机构6带动铂钨合金线向下运动，以逐渐减少铂钨合金线的尖端91与金焊盘之间的间隙，产生电弧放电，使铂钨合金线的尖端91烧蚀和金焊盘上金属熔化，电弧放电产生的高温使熔化的金属在铂钨合金线表面润湿铺展并爬升；
当铂钨合金线连接到金焊盘上时，立即关闭直流电源同时通过力施加装置5使得铂钨合金线的尖端91与金焊盘的第一连接界面10相互接触并形成20g的压力，使铂钨合金线的尖端91与金焊盘焊接牢固，如图7所示。
实施例二
如图8所示，实施例二与实施例一的区别在于：引线9的尾端为平端92，平端92的长度d为80μm；焊接电源为交流电源，交流电源的电压为100V、电流为3A，在交流电源的电路中安装3A的保险丝以防止损坏交流电源。
将铂钨合金线穿过陶瓷瓷嘴7并将陶瓷瓷嘴7安装在力施加装置5上，力施加装置5夹持在Z轴移动机构6上，将铂钨合金线的尾端打磨成平端92，再将金焊盘固定在工作台2上，并将工作台2安装在XY轴运动平台1上，移动XY轴运动平台1使得铂钨合金线与金焊盘垂直并使得铂钨合金线的平端92与金焊盘之间的初始间隙为100μm，使用两根铜线，其中一根铜线的两端分别连接铂钨合金线的顶端与交流电源的负极，另一根铜线的两端分别连接金焊盘与交流电源的正极，以提供焊接所需的能量，随后启动焊接电源；
通过Z轴移动机构6带动铂钨合金线向下运动，以逐渐减少铂钨合金线的平端92与金焊盘之间的间隙，产生电弧放电，使铂钨合金线的平端92烧蚀和金焊盘上金属熔化，电弧放电产生的高温使熔化的金属在铂钨合金线表面润湿铺展并爬升；
当铂钨合金线连接到金焊盘上时，立即关闭交流电源同时通过力施加装置5使得铂钨合金线的平端92与金焊盘的第二连接界面11相互接触并形成20g的压力，使铂钨合金线的平端92与金焊盘焊接牢固，如图9所示。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将引线安装并成型，安装焊盘，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙，启动焊接电源；
(2)逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电；
(3)当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将引线安装并成型具体为：将引线穿过毛细管并对毛细管进行夹持，将引线的尾端成型为尖端或平端。
3.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，使引线与焊盘之间具有一定的初始间隙具体为：将引线沿Z轴方向移动和/或焊盘沿XY轴方向移动使得引线与焊盘垂直并保持一定的初始间隙。
4.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：将引线沿Z轴方向移动，逐渐减少引线与焊盘之间的间隙，产生电弧放电。
5.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：当引线连接到焊盘上时，立即关闭焊接电源的同时使得引线的尾端与焊盘接触并形成0.1-30g的压力。
6.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述引线为高熔点材料或高熔点合金材料，所述引线的直径为0-100μm，所述引线的长度为0.8-1.2cm。
7.根据权利要求1或3所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述引线的尾端与焊盘之间的初始间隙为0-100μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述焊盘的基底材料为半导体材料，所述焊盘的基底厚度为0-250μm，所述焊盘的镀层材料为金属材料，所述焊盘的镀层厚度为微米级别。
9.根据权利要求1所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述焊接电源为直流电源，直流电源的电压为0-200V、电流为0-0.1A；或者所述焊接电源为交变电源，交变电源的电压为0-120V、电流为0-5A。
10.根据权利要求4所述的一种基于微弧放电的连接方法，其特征在于，所述引线的移动速度为1μm/ns，所述电弧放电时间为1-1000ns。
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