超聲波金屬焊接工藝，最早是廣泛運(yùn)用于半導(dǎo)體元器件集成電路硅片電極引出線連接到管腳的工藝。從最細(xì)的0.05毫米到0.5毫米的鋁金銀銅絲或帶狀引線等都有應(yīng)用。
超聲波金屬焊接的原理
來(lái)自超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波電信號(hào)經(jīng)換能器產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過(guò)變幅桿將超聲波振動(dòng)傳送到焊接劈刀，當(dāng)劈刀與引線和被焊件接觸時(shí)，在壓力和振動(dòng)的作用下引線與被焊件金屬表面相互摩擦，金屬表面氧化膜被破壞并發(fā)生塑性變形，使兩個(gè)純凈的金屬面緊密接觸互溶，達(dá)到原子距離的結(jié)合，最終形成牢固的機(jī)械連接和優(yōu)良的電連接。在半導(dǎo)體行業(yè)由于生產(chǎn)為凈化環(huán)境，被焊件金屬表面沒(méi)有被油、水和指紋等有機(jī)物或氧化物污染，只要機(jī)器性能穩(wěn)定，就能生產(chǎn)出漂亮一致的焊點(diǎn)，當(dāng)反撕揭掉或推掉焊點(diǎn)上的引線時(shí)，引線與被焊件之間的連接面會(huì)留下不小于百分之五十面積的引線殘留物，這些殘留物是證明引線和被焊件之間是否產(chǎn)生了原子距離的結(jié)合互溶的直接證據(jù)，引線殘留物占的面積百分比越高，焊接質(zhì)量越好；如連接面沒(méi)有引線殘留物，則引線與被焊件之間沒(méi)有產(chǎn)生互溶，只是處于搭接導(dǎo)通的狀態(tài)，有時(shí)接觸電阻盡管很小達(dá)到要求，在以后的使用中也會(huì)產(chǎn)生變化發(fā)熱或脫落。這是超聲波焊接是否為優(yōu)良狀態(tài)的基礎(chǔ)證據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也是抽檢必須的破壞性檢查步驟。
在正常生產(chǎn)中，不能把已焊接好的引線都挑斷，用把焊點(diǎn)揭開(kāi)觀察的破壞性方法來(lái)檢查質(zhì)量，那如何通過(guò)一些方法來(lái)判斷電池包上眾多的連線是否合格呢？可以用其他的一些間接現(xiàn)象來(lái)判斷。
作為一根電連接線，首先要保證的是引線和被焊件的電連接特性優(yōu)良，及接觸電阻要小，通過(guò)電流大小要符合要求，接觸面的發(fā)熱小，在長(zhǎng)時(shí)間的使用環(huán)境下連接特性不發(fā)生改變。我們目前的金屬電連接狀態(tài)可以分為三類，第一類是表面接觸類導(dǎo)電連接，如螺絲壓緊、電線絞接，靠金屬表面的相互壓力來(lái)形成電導(dǎo)通，這種方式的缺點(diǎn)是連接表面易受環(huán)境影響，如氧化，壓接力變化后接觸電阻會(huì)改變?cè)龃?，在過(guò)電流時(shí)會(huì)發(fā)熱或產(chǎn)生火花。第二類是引線和被焊件完全互熔連接，如激光焊接，過(guò)電流和電阻只需考慮引線的電流截面積，導(dǎo)電特性好。缺點(diǎn)是焊接時(shí)的溫度高，引線有熱應(yīng)力易斷，激光功率不好控制容易燒穿被焊件。第三類為同時(shí)具有第一類和第二類兩種特性的連接，及接觸面有一部分面積為接觸導(dǎo)電，另一部分面積則為互溶導(dǎo)電連接，如電阻焊和超聲波焊接，它們都較難實(shí)現(xiàn)連接面的全互溶連接，連接面接觸導(dǎo)電的面積越大，連接特性就越接近第一類。互溶導(dǎo)電的面積越大，連接特性就越接近第二類。這也就是為什么超聲波焊接連接面的互溶殘留物越多導(dǎo)電特性越好的原因。電阻焊由于是靠大電流放電產(chǎn)生高溫熔化金屬產(chǎn)生互溶連接，在缺點(diǎn)上就具有第二類連接的缺點(diǎn)。超聲波焊接盡管有不產(chǎn)生高溫的優(yōu)點(diǎn)，但由于該焊接是靠潔凈的金屬表面分子互相滲透產(chǎn)生的互溶連接，對(duì)連接面的潔凈度要求特別高，這也是超聲波焊接容易產(chǎn)生不良的原因之一。
引線焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度可以用于間接判斷焊接質(zhì)量的方法，好的焊點(diǎn)一定有好的機(jī)械強(qiáng)度！常用的是拉力法和推力法。
拉立法
拉力法就是用拉力計(jì)勾拉引線，檢查引線焊點(diǎn)在什么拉力時(shí)脫落，達(dá)到設(shè)定的拉力而焊點(diǎn)不脫落可間接判斷焊接是否合格。但在超聲波鋁絲焊接的大量實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，在拉力檢測(cè)時(shí)即使用到引線的破斷力來(lái)拉斷引線，焊點(diǎn)也沒(méi)有脫落的情況下，焊點(diǎn)的接觸電阻依然偏大，揭開(kāi)焊點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)互溶導(dǎo)電面積很小甚至沒(méi)有，即沒(méi)有殘留物，為第一類接觸式導(dǎo)電，而焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度則由引線和被焊件表面的微鑲嵌或有機(jī)物粘接產(chǎn)生，機(jī)械強(qiáng)度同樣可以達(dá)到拉斷引線而焊點(diǎn)不脫落的強(qiáng)度！而在無(wú)損拉力檢測(cè)時(shí)，拉力的設(shè)定一般為破斷力的30%至60%，太大則會(huì)損傷引線，由此看出用拉力檢測(cè)方法是沒(méi)有辦法全部檢測(cè)出不良的，只能檢測(cè)出一部分非常差的焊點(diǎn)，是判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！合格的焊點(diǎn)肯定應(yīng)該達(dá)到引線拉斷而焊點(diǎn)留下！即使拉力檢測(cè)合格，也不能肯定焊點(diǎn)的電連接特性一定優(yōu)良！
推力法
推力法則是用推力計(jì)推焊點(diǎn)，測(cè)試焊點(diǎn)的剪切推力，以達(dá)到一定的推力而焊點(diǎn)不脫落來(lái)檢測(cè)焊點(diǎn)的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試中比較，發(fā)現(xiàn)推力法比拉力法檢測(cè)能更多一些的發(fā)現(xiàn)不良，但檢測(cè)方法復(fù)雜一些，方法不對(duì)的話容易損傷焊點(diǎn)。推力法與拉力法一樣，只能當(dāng)作判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！
目視法
目視法顧名思義就是觀察焊點(diǎn)的外觀。好的焊接質(zhì)量一定是由穩(wěn)定可靠一致的焊接設(shè)備焊接出來(lái)的，表現(xiàn)在焊點(diǎn)上就是焊點(diǎn)的外觀漂亮一致，引線的通電截面積沒(méi)有減少，焊點(diǎn)起弧處線頸引線沒(méi)有切損和應(yīng)力集中點(diǎn)，引線強(qiáng)度不受損。如果焊點(diǎn)忽大忽小，很爛，想達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定優(yōu)良的焊接質(zhì)量是不可能的！焊點(diǎn)的外觀變化如果排除焊接環(huán)境的因素就只有焊接機(jī)器設(shè)備的輸出不穩(wěn)定或適應(yīng)性不夠造成的，精度穩(wěn)定一致的焊點(diǎn)外觀也是優(yōu)良焊接的基礎(chǔ)！但這也是判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！當(dāng)焊接件表面有污染時(shí)如果機(jī)器性能穩(wěn)定，也可以焊接出穩(wěn)定一致的焊點(diǎn)，這可以用來(lái)證明機(jī)器的穩(wěn)定性，但也不能證明焊點(diǎn)的電連接特性優(yōu)良。當(dāng)焊點(diǎn)很爛很扁時(shí)，由于焊點(diǎn)起弧處線頸引線有切損和應(yīng)力集中，造成引線強(qiáng)度下降，在振動(dòng)測(cè)試和未來(lái)使用中很容易斷線！這種狀況的焊點(diǎn)做拉力測(cè)試很容易產(chǎn)生拉斷引線而焊點(diǎn)留下的情況，形成焊點(diǎn)很牢固的假象，這點(diǎn)大家要注意！
電測(cè)法
電測(cè)法就是用電測(cè)儀器測(cè)量焊接面的接觸電阻，非常直觀，但由于連接面的接觸電阻大多數(shù)情況下都非常小，測(cè)量準(zhǔn)確不易。當(dāng)連接面是第二類或第三類引線和被焊件有互熔狀態(tài)連接，哪怕互溶非常少，測(cè)量的電阻是非常小的，不容易通過(guò)電阻的大小來(lái)判斷連接的好壞！當(dāng)連接面是第一類表面接觸類導(dǎo)電連接時(shí)，如果引線和連接面非常潔凈，測(cè)量的電阻也是非常小的；只有在連接面有污染，沒(méi)有互溶或很少互溶的情況下，測(cè)量的電阻超標(biāo)可以認(rèn)定為焊接不良，因此焊接面接觸電阻超標(biāo)是可以用來(lái)判斷超聲波焊接是否合格的必要而充分的條件要求！
溫度法
溫度法就是用大電流通過(guò)引線和被焊件的焊接面，如接觸不好電阻大，就會(huì)在焊點(diǎn)處產(chǎn)生溫度差異，然后用如紅外相機(jī)拍攝測(cè)量比較各焊點(diǎn)的溫度差異，從而判斷焊點(diǎn)的好壞。
鋁帶的超聲波焊接目前則是把最大截面積為2毫米寬0.25毫米厚的鋁帶用與超聲波鋁絲焊接類似的設(shè)備焊接，焊接質(zhì)量的檢測(cè)方法與鋁絲焊接相同。
終上所述，各種的焊接質(zhì)量檢測(cè)方法都有利弊，很難用一種方法來(lái)判定電池超聲波焊接工藝的質(zhì)量，但檢測(cè)的方法多一些，品質(zhì)的管控就會(huì)更好。但產(chǎn)品質(zhì)量是做出來(lái)的，嚴(yán)格控制好物料的品質(zhì)一致性，杜絕焊接條件環(huán)境的波動(dòng)，保證焊接設(shè)備的穩(wěn)定性，落實(shí)首檢，抽檢和終檢，是可以保證檢驗(yàn)間隔中間產(chǎn)品的質(zhì)量的，也是保證穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的必須！
