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第十三章变形焊一、定义变形焊是在外加压力的作用下，待焊金属产生塑性变形而实现固态连接的一种压焊方法。变形焊通常在室温或100～350℃条件下的大气、惰性气体或超高真空中进行。13.1变形焊概述1、变形焊分类变形焊大体分为三种类型：室温下进行的变形焊称为冷压焊；温度在300℃左右的变形焊称为热压焊，该方法有工作台加热、压头加热、工作台与压头同时加热三种形式。主要用于微型件的精密连接：在超高真空中进行的变形焊，称为超高真空变形焊。2、变形焊的特点1)焊接时不需要添加焊丝、焊剂等焊接材料。2)由于焊接温度一般低于350℃，不需要高温加热装置，焊接设备的制造成本低，结构简单；特别是冷压焊可以节约大量电能，并节省由于焊接加热需要的辅助时间。3)不使用焊剂，接头不需要焊后清洗，不存在接头使用中因钎剂引起的腐蚀问题。4)焊接参数由模具尺寸决定，不需要像电弧焊接那样调节电流、电压、焊接速度等多个参数，易于操作和实现自动化焊接。5)接头温升不高而不出现熔化状态，不产生类似电弧焊接头的软化区、热影响区，也不生成脆性金属间化合物；特别是冷压焊时焊接过程中不产生热量，材料结晶状态保持不变。6)凡具有一定塑性的金属(Al、Ag、Cu、Cd、Fe、Pb、Sn、Ti、Zn等)及其合金都可以进行焊接，特别适合于异种金属(包括有限互溶，液相、固相不相容的非共格金属间的组合)和对升温很敏感材料的焊接。3、变形焊接头形式搭接变形焊主要用于箔材、板材的连接。对接变形焊主要用于同种或异种金属线材、棒材或管材的连接。热压焊主要将金属引线直接搭接在基板导体或芯片的平面上4、变形焊机理及接头组织形态变形焊的机理比较简单，主要是待焊试件在所加压力的作用下。通过材料的物理接触使待焊试件产生大的变形，在变形时表面的氧化膜破裂并通过材料的塑性变形被挤出连接界面，使纯金属相互接触，并发生键合而形成牢固的连接接头。13.2变形焊工艺13.2.1工艺特点1）焊接时产生变形，变形量是实现两界面键合的重要条件。2)焊接所需的最小变形量根据外界条件不同而异，如在大气和室温下的变形焊，其最小变形量均在60％以上。3)利用纯氩气氛保护，并在室温焊接条件下进行焊接时，所需的最小变形量可在20％以下。在超高真空条件下进行变形焊接，其最小变形量可在5％以下。4)表面粗糙度对变形量有影响，在真空精密焊接条件下，待焊界面的粗糙度越小，所需的最小变形量也越小。5)焊接温度对变形量也有影响，和扩散连接一样，提高焊接温度可以减小变形量，从而减小焊接压力和变形。6)超高真空变形焊可以消除氧化膜的影响，使各种金属的焊接性差异很小，其变形量只有大气中变形焊的6％，属精密焊接．压痕最小，耗能也少。13.2.2冷压焊工艺1、材料的焊接性冷压焊主要适用于硬度不高、塑性好的金属薄板、线材、棒材和管材的连接。特别适宜于在焊接中不允许接头升温的产品。2、表面状态（1）表面粗糙度一般来说，冷压焊对待焊表面粗糙度没有很高的要求，经过轧制、剪切或车削的表面都可以进行冷压焊。带有微小沟槽不平的待焊表面，在挤压过程中有利于界面的切向位移，对焊接过程有利。（2）待焊表面的清洁度待焊表面的油脂、污染物、水膜及其他有机杂质是影响冷压焊质量的主要因索之一。在冷压焊过程中，这些杂质将被压延成微小的薄膜，不论焊接件产生多大的塑性变形量，都无法将其彻底挤出结合面，因此必须在焊前采用化学溶剂清洗或超声波净化的方法去除。3、塑性变形量冷压焊接时所需的最小塑性变形量是控制焊接质量的关键参数，也是判断材料冷压焊接性好坏的一个指标。材料的塑性变形量越小，冷压焊接性就越好。4、焊接压力冷压焊的能量是靠压力而获得的。搭接冷压焊时压力通过压头传递到待焊部位；而对接冷压焊时，压力通过夹头夹紧传递到待焊构件的界面上。5、压轮直径冷滚压焊时需要选择合理的压轮直径，压轮直径选择不仅要考虑设备能够提供的最大输出焊接压力，还要考虑工件总厚度。当焊机功率确定之后，焊接件总厚度越小，选用的压轮直径可相应减小。13.2.3热压焊工艺热压焊在半导体器件的引线连接中得到了广泛的应用，其焊接本质与冷压焊完全相同，只是在加热的条件下施加压力，使待焊金属界面产生足够的塑性变形，达到金属原子间的结合而形成优良的焊缝。热压焊的焊接参数(1)卧式搭接热压焊其焊接温度、焊接压力和焊接时间三者互相影响，加热温度较高时，压力可减小，加压时间也可以相应的缩短；压力还与搭接面积有关，当搭接面积增大时，相应的焊接压力增大；采用的引线材料不同，压力也不同，当用铝丝做引线时，所施加的焊接压力比金丝引线要小。(2)金丝球式热压焊金丝球热压焊主要应用于硅半导体芯片引线的连接。13.2.4超高真空变形焊工艺超高真空变形焊不存在氧化膜的再生问题，所需的变形量是为了使两界面上金属原子接近到形成接触键合的程度。带有氧化膜的构件在真空中施焊时氧化膜很难通过挥发而自行消失，必须在焊前进行清理。（1）清理方法在真空条件下进行变形焊时，可以先采用机械清理方法，在充高纯氩气的真空室内进行。工件放入后再抽真空。（2）真空度的确定清理过的被焊界面经过一段时间仍然会在界面上吸附一层气体，这层气体仍然是金属键合的障碍。（3）变形量的确定超声真空冷压焊所需的变形量较小，该变形量与界面的粗糙度和材料的弹性变形量有关系。界面的粗糙度越小，变形量越小；反之选取大的变形量。13.3典型材料及构件的焊接1、典型结构的冷压焊2、金丝球热压焊金丝球热压焊主要应用于电子微型焊接领域，是将μm的金丝焊接在nm级的铝金属膜上。13.4变形焊设备1、冷压焊设备（1）焊机冷压焊的主要设备是能够提供足够压力的焊机，除了专用的冷滚压焊设备外(其压力由压轮主轴承担，不需要另外提供压力)，其余的冷压焊设备都可以利用常规的压力机改装而成。（2）搭接点焊压头搭接点焊压头的形式较多，可分为圆形(实心或空心)、矩形、菱形或环形等。按压头数目可以分为单点点焊和多点点焊、单点点焊又可以分为双面点焊和单面点焊。（3）对接冷压焊焊钳在对接冷压焊过程中，冷压焊的焊钳主要是传递焊接压力，控制焊接件塑性变形的大小和切掉飞边，因此需要施加较大的夹紧力和顶锻力，要求焊钳材料必须用模具钢制造，并且有较高的制造精度。冷压焊钳可以分为槽形钳口、尖形钳口、平形钳口和复合钳口4种形式。2、热压焊设备热压焊主要应用于微电子领域引线的焊接，属于微型精密焊接，要求焊接设备的自动化程度高，如采用微型计算机控制和高精度焊接机械手等。3、超高真空变形焊设备超高真空变形焊与冷压焊的主要区别是工作环境不同，因此这两种工艺所用的设备基本一致，只是增加了真空室和真空系统。