漆包线,也叫电磁线(magnet wire)或绝缘线(insulated wire),是一种表面覆有绝缘薄膜的导线。漆包线的导体部分一般是经退火处理的未掺杂的纯金属,如铜、铝,某些场合也使用铜合金、金、银、镍、不锈钢等材料,根据工作电压和工作温度的不同,漆包线常采用聚氨酯、聚酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺等聚合物作为绝缘薄膜材料。漆包线广泛应用于电子、电气、医疗器具和半导体的生产中,如传感器、变压器、线圈、绕组、植入电极、芯片互联引线等,充当内部基础元件的一部分,或作为元件内外连接的导体介质。当作为内外连接的介质时,漆包线的末端必须和金属终端(如插片、针、箔等)实现电接触,并满足一定的力学性能、导电性能和耐温度疲劳性能等要求。因此,它们之间的连接性能直接影响到整个产品的性能。

微连接是微电子封装及互连的重要部分,由于连接对象微小精细,在传统焊接技术中可忽略的因素,如溶解量、扩散层厚度、表面张力、应变量等都会对材料的焊接性、焊接质量产生不可忽视的影响。绝大多数微连接用于异种材料之间的连接,连接时除了强度要求以外,更重要的是可靠性和电气连接性,连接过程不应对器件功能产生任何影响。微连接涵盖了非常广阔的领域,对于制造小型器件、装置和系统尤为关键。

        一、激光微焊接和激光软钎焊

激光微焊接和激光软钎焊都是用激光作为热能将绝缘薄膜烧除,然后实现焊接的技术。用激光作为焊接能源,热量集中,能快速使漆包线的绝缘薄膜气化,无须预先去除绝缘薄膜而能直接实现对工件的连接。因为焊接时间短,整个焊接过程产生的高温来不及传导给周围器件,从而避免了焊接对元器件的热损伤。师文庆等通过3种不同的方式对激光直接焊接的方法进行了实验研究和理论分析,获得了直径为0.10 mm的极细铜芯漆包线在不去除绝缘漆的情况下直接焊接到铝引脚上的方法和途径。

Steinmeier等通过电镜扫描等实验说明了激光软钎焊无需预先去除绝缘薄膜而能直接连接细小的漆包线,使漆包线和电子元器件终端形成持久、可靠接头的原因。Bohm等采用杨氏激光,证明了激光软钎焊适合各种漆包线的焊接,一般焊接过程的平均时间只需20 ms。激光软钎焊属非接触焊接,不会给产品带来接触污染,同时也克服了传统钎焊钎料易引起短路的问题,具有能同时除漆和焊接等优点,但激光焊接对焊件加工、组装、定位要求均很高,且焊接成本相对较高。它常用于片式或梁式引线的焊接,而不太适合细线间的焊接。

        二、超声热压焊

超声波焊接是利用超声波的高频机械振动能量,对工件接头进行内部加热和表面清理,同时对工件施加压力来实现焊接的一种压焊方法。超声焊主要用于IC芯片互连工艺中的引线键合,即用金线、铝线或铜线实现芯片和引线框架之间的电气连接。因为预热能使超声键合接头性能更好,所以超声热压焊是超声波焊接的主流。芯片塑封时, 有一定长度的金属丝弧在塑封料流动冲击下会发生丝摆现象,由于目前采用的键合线表面通常没有绝缘层,间距变小易引起相邻引线间短路,丝摆严重时将会导致金属线间发生接触,从而导致短路。

近年来,随着微电子器件集成度的提高,微芯片的尺寸在不断缩小,芯片电路越来越复杂,引线线径越来越小,对丝摆现象的控制要求也越来越高。采用漆包线进行引线键合连接可有效解决以上矛盾,并由此出现了X-Wire技术。2006年,国际半导体技术蓝图认为漆包线是25μm引线键合的潜在解决办法,特别是用漆包铜线来替代金线迅速成为当前研究的热点。Song等用表面没有绝缘薄膜的金线和有绝缘薄膜的金线作了对比实验,研究了它们在热影响区、金丝球的可变形性等方面的差别。Lee等从工艺参数的角度研究了表面有绝缘薄膜的金线的焊接性能。Goh等通过对劈刀的改进,有效地提高了漆包线在超声键合工艺中的焊接性能。

漆包线不能用传统的线性振动轨迹的超声设备进行连接。Tsujino等采用声极运动轨迹为椭圆的高频超声对绝缘铜线和铜片的焊接特性进行了研究。所用绝缘铜线外径为0.036 mm,铜片厚度为0.3 mm,超声频率分别为40、60、100 kHz或更高频率。对比研究结果表明:椭圆形轨迹的超声振动能实现绝缘铜线的焊接,且高频复合振动能将焊点的绝缘材料剥离。焊点强度基本能达到铜的强度,随着振动频率的提高,焊接部位的变形和焊接强度的波动也随之减小。但对绝缘层的具体材料及焊接接头的导电性能没有明确说明。超声热压可实现漆包线的焊接,但绝缘漆残留、铜容易被氧化等问题给漆包线替代金线带来了挑战。

        三、电阻微连接

电阻微连接,也叫做微型电阻焊或电阻微点焊。关于电阻微连接的机理,目前还没有统一的定论。要用电阻微连接实现漆包线与另一工件的连接,就必须克服绝缘漆对两电极间电流路径的阻碍。为此,有学者将漆包线的连接终端设计成特殊形状来导通电流,从而获得焦耳热来熔化绝缘漆,最终在无需预先去除绝缘薄膜的情况下实现两者的连接。该技术可采用传统的电阻焊设备,主要以平行电阻焊的形式实施,但对引线终端的形状有特定的要求,不适合那些无法折弯的引线终端的连接。Lynch等[30,32]采用这种方法焊接了漆包线和镀锡的黄铜片,运用反应曲面法和优化技术等对终端的设计要求和焊接参数的范围进行了研究。近年来,美国、日本等国家先后推出了一些微型零件精密电阻点焊设备,可实现漆包线的连接,但因为焊接空间受限等方面的原因,这些设备很难满足某些应用场合的要求。

        梁志锋等分析了微型电机转子整流子换向片与漆包线绕组引线焊接的特殊性,采用了与图1所示原理类似的焊接方法实现了两者的焊接,探讨了影响接头质量的几种因素。杨仕桐等将SW焊头、精密电容储能电源等有机地结合,研制了一种可直接焊接漆包线的新型设备,并结合相关的试验结果分析讨论了其焊接机理。张书浩等采用特殊的回路结构电极,结合逆变焊接电源对焊接能量的精密控制,实现了对铜箔漆包线的直接单面焊接。这些焊头的应用成功实现了部分漆包线(如:直焊型漆包线)的焊接,所获得的焊点具有较好的性能,但对于某些漆包线的焊接,这种方法还存在不少问题。莫秉华等从连接机理、工艺参数、镀层影响、焊接过程仿真和质量监控等方面对微型电阻焊的研究状况作了深入研究,为了克服绝缘漆对电阻焊电流路径的阻碍,在前人的基础上提出了一种全新的“三极式”直流双脉冲焊接方案,焊接实验表明:聚氨酯漆包线在各种参数下均具有良好的焊接性,贴合面无碳化物残余;而聚酯亚胺涂层由于熔点高,熔漆所需的能量远高于焊接能量,这使焊接成功的次数非常有限,研究明确指出,聚酯亚胺漆包线不适合微型电阻焊;研究还表明:焊接电流对接头强度的影响最大,电极压力与接头表面质量和飞溅现象密切相关,应谨慎选取。实验还组建了漆包线电阻微连接的动态电阻测试系统,探索了漆包线焊接过程中动态电阻组成及其在不同状态下的变化规律。刘长亮等通过对聚氨酯漆包线直焊性能的分析,介绍了副反应、催化剂、基料树脂的结构和配比及漆包线的烘烤工艺等对其直焊性能的影响。

        总之，对于漆包线特别是耐高温漆包线的焊接,现有的微连接方法均有不足。漆包线的广泛应用和巨大的市场需求,吸引了很多学者和企业力求开发一种经济、环保、可靠的微连接方法,但大部分研究是在工艺方法上,机理方面的研究不是很多。另外,漆包

线应用在芯片中的优越性众多,使漆包线的微连接问题在近几年迅速成为全球的研究热点。已有一些科研团队和企业开始了研究,也解决了某些问题,但在实际应用中还面临着很多挑战,这对解决漆包线的直接焊接问题、开发新的工艺方法和先进设备具有重要的意义。