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电感器漆包线热压焊界面可靠性分析 18磁性材料及器件第50卷第5期2019年9月电感器漆包线热压焊界面可靠性分析王东1,2，王上衡2，吴猛雄2，朱建华2，陆松杰2，陈宏涛1（1.哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，广东深圳518055；2.深圳振华富电子有限公司，广东深圳518109）摘要利用全自动绕线机制备电感器，由金相显微镜、电子万能试验机、SEM、EDS和BSE分析了漆包线焊接界面的宽度、焊点强度、界面形貌以及界面元素分布。 结果表明，焊接温度和焊接时间对焊点处漆包线宽度的影响较小，但是会影响漆包线的去除效果；焊接压力对焊点的影响较大。 焊接界面的的微观形貌观察和界面处的元素分布分析表明，不同材料的焊接界面以机械形式结合，Cu及金层的扩散距离计算可以进一步验证界面处的结合形式。 本研究对热压焊的焊接参数、焊接强度和可靠性进行深入研究，为后续的设备改进和工艺参数的制定提供理论指导。 关键词电感器；漆包线；热压焊；焊点强度；界面分析TM55A1001-3830 (2019)05-0018-05DOI:10.19594/j.ki.09.19701.2019.05.005Analysis onreliability ofhot-press welding interface of enameled wirein inductorsWANG Dong1,2,WANG Shang-heng2,WU Meng-xiong2,ZHU Jian-hua1,LU Song-jie2,CHEN Hong-tao11.Shenzhen ZhenhuaFu ElectronicsCo,Ltd,Shenzhen518109,China;2.School ofMaterials Scienceand Engineering,Harbin Instituteof TechnologyShenzhen,Shenzhen518055,China Abstract:Inductors wereprepared usinga fully-automatic windingmachines.The opticalmicroscopy,electronic universaltesting machines,SEM,EDS andBSE wereused toanalyze theinterface width,joint strength,interface morphologyand interfaceelement distribution.The resultsshow that the weldingtemperature andtime havelittle effecton thewidth of the enameled wire at the joint strength,but itwill affectthe removalefficiency oforganic matterofenameledwire.The weldingpressure hasa greatinfluence onthe solderjoint.The microstructureoftheweldinginterfaceand theelement distributionattheinterface canbe learnedthat thewelding interfacesof differentmaterials arebined ina mechanicalmanner.Calculation ofthe diffusiondistance ofCu andgold layerscan furtherverify thebonding formattheinterface.In thisstudy,the parameters,strength andreliability ofhot-press weldingwere studiedin-depth toprovide theoreticalguidance forthe subsequentequipment improvementand theformulation ofprocess parameters.Key words:inductor;enameledwire;hot-press welding;jointstrength;interface analysis1引言漆包线，也叫电磁线(mag wire)或绝缘线(insulated wire)，是一种表面包覆绝缘层的金属导线。 漆包线的导体部分为经退火处理的纯金属，使用最广泛是铜和铝漆包线，在一些特殊的环境下铜合金、金、银、镍、不锈钢等材料也被使用，依据工作温度和电压的不同，漆包线的绝缘层常采用聚氨酯、聚酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺等聚合物1-3。 漆包线广泛应用于电子、电气、医疗器具和半导体产业4，如电感器、传感器、变压器、线圈、绕组、植入电极、芯片互联引线等产品5，充当内部基础元件的导电部分，或作为元件内外连接的导体介质。 由于电流不能通过漆包线上的绝缘层，电阻焊也就无法进行，另外，漆包线引出接点尺寸的短小使得焊接也比较困难，主要问题是焊点质量不稳定、容易导致熔毁、难以形成正常熔合等，所以直接精密焊接漆包线是长期困扰电子工业的技术难题6-8。 2018-06-11修回日期2018-08-21作者通讯王东E-mail:wd6531742163.万方数据19王东等电感器漆包线热压焊界面可靠性分析漆包线与镀层间的互连强度和可靠性是影响电子元器件品质的重要因素，随着工业的发展对其可靠性提出了更高的要求，为了满足现代化工业的发展需求，企业不断推进元器件的可靠性研究。 影响漆包线互连强度的主要因素如下9-12 (1)焊接工艺在漆包线的焊接过程中焊接工艺具有决定性作用； (2)镀层表面粗糙度主要影响互连过程中漆包线和镀层的接触面积，表面粗糙度越大，键合结合力越强，相关文献报道连接面的粗糙度应大于0.3m； (3)镀层纯度纯度低于99.9%时，会导致漆包线互连可靠性下降； (4)镀层结构和厚度多层镀层结构优于单层结构； (5)镀层表面清洁程度因电镀后处理或存放不当导致镀层表面污染使得漆包线互连的可靠性降低，污染严重时甚至无法进行键合。 通过对不同焊接工艺焊接后的样品进行外观检测，对不同线径漆包线进行焊接后的宽度测量，初步确定焊接温度、焊接时间以及焊接压力对漆包线打扁程度的影响。 为更好地了解焊接参数对焊点强度的影响，对焊接后的样品进行抗拉强度的测试，并对测试后的焊点断面进行分析，揭示不同材料间的互连强度与焊接参数之间的关系。 同时，为了分析焊接产品样品的界面反应，制备破坏性物理分析(DPA)样品，并对其进行SEM、EDS和BSE分析，确定焊接界面的微观形貌和元素分布，为后续设备改进和工艺参数的制定提供理论指导。 2实验方法采用工字型陶瓷和铁氧体磁心（潮州三环，磁心尺寸0805）和漆包线（杭州益利素勒，线径?50m，?80m）作为原材料、用自动绕线机绕线制备电感器样品，通过控制焊接温度、焊接时间和焊接压力来制备不同焊接效果的电感器。 利用金相显微镜（DM2700M）对焊接后的表面进行观察，并对漆包线宽度进行测量；通过电子万能试验机（UTM6104）对焊点强度进行测试；用自动抛光机（Eet250-pro withAutomet250）对DPA样品进行研磨、抛光；分别利用扫描电子显微镜（日本电子JSM-6460LV）和电子探针（日本电子JXA-8000）对DPA样品进行结构和成分的线分析及面分析。 3结果与分析3.1外观通过控制不同的焊接温度、焊接时间和焊接压力来制备不同焊接效果的电感器，利用显微镜观察并测量漆包线在焊接过后的宽度，计算漆包线的打扁率。 表1和表2分别为线径50m和80m的漆包线在不同焊接工艺下的焊点宽度。 可以发现，对于在相同的焊接压力以及焊接时间，焊接温度对焊点宽度的影响较小；对于相同的焊接压力以及焊接温度，焊接时间对焊点宽度的影响较小；对于相同的焊接温度以及焊接时间，焊接压力对焊点宽度的影响较大。 虽然焊接温度对焊点宽度的影响较小，但是对漆包线周围有机物的挥发影响较大，在较低温度焊接时，焊点周围存在较多的有机物残留13；较高的焊接温度有利于有机物的挥发，在端电极表面不会存在有机物的残留，同样有利于焊接界面处的元素扩散。 表1对应漆包线线径?50m、不同工艺的焊点宽度与强度(陶瓷磁心)焊接工艺参数压力/MPa温度上下s时间m焊点宽度/左右N焊点强度/左右3900.150.120.8103.6111.80.620.574000.110.090.897.5106.50.650.64100.110.090.896.4100.90.670.684200.110.090.898.4107.20.650.614200.10.071.5103.674.90.610.55表2对应漆包线线径?80m、不同工艺的焊点宽度与强度(陶瓷磁心)焊接工艺参数压力/MPa温度上下s时间m焊点宽度/左右N焊点强度/左右4200.170.141127.8170.81.110.784300.120.091.5126.7119.31.091.014400.120.091.5124.8124.11.171.114500.150.121.5145.1148.90.850.834600.150.121152.1143.90.890.88表3和表4分别为铁氧体系列0805型电感器对应?50m以及?80m漆包线在不同焊接工艺下的外观以及焊点强度。 对比发现，铁氧体磁心的焊点与陶瓷磁心的焊点类似，焊接温度和焊接时间对焊点宽度的影响较小，焊接压力对焊点宽度的影响较大。 由于铁氧体磁心端电极两端镀锡，在焊接过程中锡呈熔融状态，在压力作用下漆包线易嵌入到锡层中。 液相与固相的反应较快，易生产界面金属间化合物（IMC），因此在焊接过程中控制焊接温度是控制焊点质量的关键，这方面的讨论在界面分析中将详细说明。 万方数据20磁性材料及器件第50卷第5期2019年9月表3线径?50m、不同工艺的焊点宽度与强度(铁氧体磁心)焊接工艺参数压力/MPa温度上下s时间m焊点宽度/左右N焊点强度/左右3700.060.07264.863.30.510.533800.060.070.868.576.90.570.583800.120.10.896.390.90.560.573900.040.060.555.458.30.530.523900.050.060.566.959.40.530.55表4线径?80m、不同工艺的焊点宽度与强度(铁氧体磁心)焊接工艺参数压力/MPa温度上下s时间m焊点宽度/左右N焊点强度/左右3700.150.151129.4142.30.850.793900.060.07178.879.80.750.734000.120.10.8111.6120.70.880.934100.10.071.5126.7135.90.820.764200.160.112145.6137.90.780.753.2焊点强度焊接完成后利用电子万能试验机（UTM6104）对焊点强度进行测试，测试结果示于表14中，不同的焊接工艺对焊点强度的影响较大。 拉伸失效试验表明，当漆包线变形较大时，其在端电极的内侧被拉断；当漆包线变形较小时，其整体从焊接界面脱落。 上述结果表明，焊接工艺应该严格控制漆包线的变形程度，要保证漆包线焊接后的宽度在原始线径的1.52倍的范围内。 3.3微观形貌图1是对应线径 80、50m的陶瓷磁心焊接界面组织金相照片，样品中Cu/Au/Ni界面清晰可见，各元素间存在明显的界线，说明在较低的焊接温度下各元素基本无扩散。 同时在Au/Cu的焊接界面处存在明显的缝隙，内部存在的缝隙在后续的检验中很难发现，对焊点的可靠性具有一定的隐患。 图2为陶瓷磁心焊接界面的线分析结果，组织一共分为四层，从上到下分别为Cu、Au、Ni和陶瓷基体。 Cu与Au的界面清晰可见，说明界面处不存在扩散现象，同样在元素的线分析结果中也没有发现元素间的扩散，表明界面主要以机械键合的形式结合。 图3为陶瓷磁心焊接界面处的元素分布，图中清晰显示了Cu、Au和Ni层，Cu层与Au层互连的界面清晰，基本不存在扩散现象，Cu/Au界面以机械键合的形式结合。 键合的强度与接触面积以及表面的洁净度和粗糙度有直接关系。 图1对应不同漆包线线径的陶瓷磁心焊接界面金相显微照片(a)?50m,(b)?80m图2陶瓷磁心焊接界面处的元素分布图3陶瓷磁心焊接界面处的元素分布(a)焊接界面，(b)Au分布，(c)Cu分布，(d)Ni分布图4铁氧体磁心焊接界面图5铁氧体磁心焊接界面的元素分布(a)焊接界面，(b)Ag分布，(c)Cu分布，(d)Sn分布，(e)Ni分布万方数据21王东等电感器漆包线热压焊界面可靠性分析图4为铁氧体磁心的焊接界面，可以看出在Cu/Sn互连的界面处存在大量的IMC化合物。 化合物的生成导致基体与基体间的晶格失配，使得界面的结合变差。 失效试验结果表明焊接温度过高导致焊接界面处生成较多的IMC化合物，从而使得焊接强度降低，在下一步的焊接工艺研究过程中将适当降低焊接温度，抑制界面处化合物的生成，使得界面间形成连续的固溶体，有利于焊接强度的提高。 图5为铁氧体磁心为焊接界面的元素分析，可以发现界面生成IMC化合物，各元素间不存在扩散，界面处不存在连续的固溶体，界面结合力为机械作用力。 拉伸失效实验表明，当漆包线的变形较大时，漆包线在端电极的内侧被拉断；当焊接温度过高时由于生成较多的IMC化合物，导致焊点强度降低。 上述结果表明，焊接工艺应该严格控制漆包线的变形程度，尽量要保证漆包线的宽度在线径的1.31.5范围内，当漆包线的线径分别为?50m和?80m时，焊接温度应尽量保持在380400之间。 我们知道，物质之间的扩散符合14/0Q RTDD e-= (1)其中，D为扩散系数，D0为频率因子，Q为扩散活化能，R为摩尔气体常数，T为温度。 Au在Cu中的D0和Q分别为197.8kJ/mol和0.243cm2/s；Cu在Au薄膜中的D0和Q分别为65.4kJ/mol和163m2/s15。 将D0和Q数值代入 (1)式中可得Au在Cu中的扩散系数237912/Au/Cu0.243TD e-= (2)Cu在Au薄膜中的扩散系数7866.2/cu/Authin163TD e-= (3)扩散距离X与扩散系数D以及时间t有关系1624X Dt= (4)根据以上公式计算不同焊接温度下Au在Cu中表表5扩散系数和扩散距离计算结果Au/Cu82110m sD-?Cu/Authin21m sD-?焊接温度s焊接时间Au/Cu410mX-Cu/AuthinmX1.078640.0013684001.02.077150.0739692.991970.0019174200.83.094240.0783157.837550.0026354401.56.85750.1257436.328670.0011473900.81.423090.0605784.875770.0022524301.55.408750.116254注D Au/Cu和D Cu/Authin分别为Au在Cu和薄膜中的扩散系数,X Au/Cu和X Cu/Authin分别为Au在Cu和薄膜中的扩散距离以及Cu在Au层中的扩散系数和扩散距离，结果如表5所示。 可以看出Au在Cu中的扩散系数要远小于Cu在Au层中的扩散系数，说明Cu在Au层中的扩散相对容易，同时焊接温度的升高以及焊接时间的延长可以适当增加扩散层的厚度。 计算结果很好地验证了图 1、图2的线分析和面分析的结果，在界面处基本上不存在元素间的扩散，铜线与Au层以机械键合的形式结合。 4结语通过对焊接工艺的深入分析，同时对焊接机理以及焊接界面进行了理论分析，建立了焊点工艺以及可靠性的试验数据。 Cu/Au界面以机械键合的形式结合，焊点的强度与接触面积以及表面的洁净度和粗糙度有直接的关系。 由于Sn的熔点较低，在Cu/Sn界面容易生成IMC化合物，过多的IMC化合物生成会大大降低焊点强度，在焊接过程中应当严格控制焊接温度在380400之间。 参考文献1Licari JJ.Coating materialsfor electronicapplications:polymers,processes,pliability,testingM.Norwich,NY:Noyes Publications/William AndrewPublication,xx.2Licari JJ.Hughes LA.Handbook ofpolymer coatingsfor electronics:chemistry,technology andapplicationsM.2nd ed.Park Ridge,N J,USA:Noyes Publications,1990.3Shuang WT.Handbook ofelectrical andelectronic insulatingmaterialsM.2nd ed.New York:IEEE Press,1995.4于寅虎.从“xx年中国半导体市场年会”解读中国半导体市场J.电子产品世界,xx,4:5-6.5陈宏仕.新型铜线焊接技术J.电子元器件应用,xx,9:73-74.6赵钰.铜丝键合工艺在微电子封装中的应用J.电子元器件应用,xx,8:48-51.7Walker IR.Removal ofenamel fromultrafine monofilamentarywiresJ.Rev SciInstru,xx,75 (5):1169-1174.8中国机械工程学会焊接学会.焊接手册M.北京:机械工业出版社,xx.9Tummala RR.Microelectronics packaginghandbook,part2:semi conductorpackagingM.2nd ed.New York:Chapman&Hall,1997.10莫秉华.绝缘铜线微型电阻焊过程与连接机理研究D.广州:广东工业大学,xx.11Lee J,Michael M,Zhou N,et al.Microelectronic wirebonding withinsulated Auwire:effects ofprocess parameterson insulationremoval andcrescent bondingJ.万方数据22磁性材料及器件第50卷第5期2019年9月Mater Trans,xx,49:2347-2353.12杨仕桐,李远波,林健宏.脱漆焊-电阻焊焊接漆包线的新技术J.xx,29:21-25.13刘长亮,齐伟芳.聚氨酯漆包线直焊性能影响因素的分析J.涂料技术与文摘,xx,5:17-19.14Christian JW.The Theoryof Transformationsin Metalsand AlloysM.2nd ed.Equilibrium andGeneral KiicTheory,1975.15Elmer JW,Palmer TA.Direct observationsof rapiddiffusion ofCu inAu thinfilms usingin situX-ray diffractionJ.J VacuSci TechA,24 (xx):978-987.16Shewmon PD.Diffusion inSolidsM.McGraw-Hill,New York,1963.作者简介王东(1987)，男，浙江东阳人，博士，研究方向为电感器、传感器等。 *(上接4页)作用才形成了前面说到的赝能隙并决定合金母相的稳定性。 4结论 (1)Ni8Mn4Sn4和Ni8Mn6Sn2合金母相的磁矩均主要Mn原子，非化学计量化合物Ni8Mn6Sn2中有更多的Mn原子使得其比Ni8Mn4Sn4总磁矩明显增加。 非化学计量Ni8Mn6Sn2晶胞能量比Ni8Mn4Sn4明显增加，晶体对称性降低，这是Ni8Mn6Sn2合金发生马氏体相变而Ni8Mn4Sn4不发生马氏体相变的主要原因。 (2)在Co掺杂的Ni8x Cox Mn6Sn2合金中，随着Co原子对Ni原子的取代，合金晶胞体积收缩，价电子浓度降低，晶胞母相总磁矩增大，更多的Co3d-Mn3d间原子杂化作用取代了Ni3d-Mn3d间原子杂化作用，原子间键合作用增强，母相稳定性提高，马氏体相变温度降低。 参考文献1李振兴，李珂，沈俊，等.小型室温磁制冷系统的研制J.低温工程，xx， (1):13-16.2陈远富，陈云贵，涂铭旌，等.磁制冷发展现状及趋势:磁致冷材料J.低温工程，xx， (1):49-58.3李振兴，李珂，沈俊，等.室温磁制冷技术的研究进展J.物理学报，xx，66 (11):1-17.4Sun JR,Shen BG,Hu FX.Magocaloric effectand materialsM.New York:Springer US,xx.5Chen F,Liu WL,Shi YG,et al.Influence ofannealing on martensitic transformation and magicentropy changein Ni37.7Co12.7Mn40.8Sn8.8magic shape memory alloyJ.J MagnMagn Mater,xx,377:137-141.6Sielicki K,Wrblewski R,Leonowicz M.A parativestudies ofmagocaloric effectin Ni-Mn-Cu-Ga andNi-Mn-Pb-Ga alloysJ.Acta 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