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1、等离子体放电原理大作业10291011102900113咼显骐等离子体在焊接中质量控制的应用0 前言等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态， 广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或 者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁 场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在 1879 年发现的， 1928年美国科学家欧文朗缪尔和汤克斯首次将“等离子体”（plasma） 一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等 离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性， 借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出， 结果电子
2、已不再被束缚 于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。1 等离子体在激光焊接中的应用 众所周知，等离子体的出现，是激光焊接所面临的最大问题。激 光的高能量密度，不但能使金属熔化，还能使金属汽化。当汽化后的 金属在空气中与激光束接触时。 会出现电离现象。 大量等离子体便由 此产生。等离子体不但能够吸收和散射激光束。还能折射激光。使光 斑聚焦的位置出现偏离，严重影响激光的焊接效果。因此，减少等离 子体的出现，是优化激光焊接的最有效方式。日本的 YArata 发明了 LSSW,即光束沿焊接方向迅速地来回摆动，时间控制在匙孔出现后 与等离 子体出现之前，避免了等离子体的产生。等离子体的电子密 度是影响
3、激光束传输的关键， 可用磁场辐射方式来减小等离子体对激 光束的屏蔽作用。另外，还可通过在低气压环境下焊接，或通过侧吹 辅助气体的方式来控制等离子体。光致等离子体是激光深熔焊接过程中，在高能量密度激光束作用 下,伴随小孔同时存在的不可避免的重要物理现象。由于它在激光深 熔焊过程小孔形成、能量及物质传递中起到至关重要的作用，因而采 用监测等离子体的声、光及电场信号来判定激光焊接过程中的焊缝熔 透性是一种切实可行的方法。实时监测焊缝的熔透性，一种最简单的方法就是监测焊缝背面的 等离子体信号，但是在很多情形下，不可能从焊缝下方测量，而只能从 正面监测。对于等离子体的声、光信号来说，在部分熔透与全熔透时
4、， 其传播方向有很大不同，在全熔透时，光致等离子体向两个方向膨胀， 正是基于这种原理，我们利用光致等离子体信号的强度来监测激光焊 缝的熔透性。在激光焊接过程中，产生声能量发射的物理过程比较复杂。表 1是 其声源的列表，其中周围的气体、小孔振动、蒸汽及等离子体的受热 膨胀是主要的原因。激光焊接过程中的声发射谱可能扩展到MHz,但有用的信息是在更小的范围内（vlOOkHz）,这说明小孔焊接模式下，蒸 汽及等离子体的形成与小孔周围的熔化物质的不稳定性及熔池运动 紧密相关，表征这些过程的典型特征振动频率w1OkHz,所以声谱在100Hz20kHz将说明小孔的稳定性和焊接性能。2等离子体在钎焊及扩散焊中
5、的应用离子注入是将几万至几十万电子伏特的高能离子注入到材料表 面,使材料表面层的物理、化学和力学性能发生变化。任何形式的离 子轰击固态晶体时都将引入缺陷，其结构依赖于注入剂量、注入离子 种类、束流密度、基体温度等注入参数和化学键等基体材料参数。由 于可以在表面注入任何元素，注入元素的种类和剂量均可以选择,因 此可以使注入材料表面获得许多新的性能。目前，离子注入表面改性 已经开始在改善材料焊接性上，尤其是在陶瓷与金属异种材料连接上 得到了发展。离子注入改进陶瓷与金属焊接性能的机理主要有：电子结构理论 和表面能理论。金属-陶瓷界面的电子结构理论认为，金属-陶瓷之间 的界面接合强度是由其界面处的电子
6、迁移的多少来决定的，当界面处 的电子迁移增加时其接合强度就随着增加；陶瓷一般为离子键与共价 键结构，陶瓷与金属界面间是电子不连续的，因而也较少有电子迁移； 离子注入可通过增加陶瓷材料的表面导电性来提高金属 -陶瓷界面处 的电子迁移，从而可使其界面接合强度得到提高。表面能理论认为，陶瓷材料一般为化学性能非常稳定的化合物，其表面能较低，因而其 与金属材料的界面粘接功也相应较低，不能与金属材料形成较强的结 合;离子注入可以通过提高陶瓷材料的表面能及界面粘接功来提高它 与金属材料的焊接性。表面涂层可以改善陶瓷表面状态和结构以增大固相表面能RSV,可通过化学和物理的方法来实现，其中包括物理气相沉积、物理
7、化学 气相沉积、等离子体涂覆等。表面涂层技术通过新的涂覆物质取代金 属与陶瓷的直接接触，从而提高体系的润湿性。并且由于沉积涂层本 身的结构以及在沉积过程中对基体的影响 ，与陶瓷-金属直接焊接相 比较,表面涂层陶瓷与金属焊接往往会给焊接过程带来新的变化。 3等离子体在微连接中的应用等离子体清洗在微电子封装领域有着广泛的应用前景， 等离子体清洗 技术的成功应用依赖于工艺参数的优化， 包括过程压力、等离子激发 频率和功率、时间和工艺气体类型、反应腔室和电极的配置以及待清 洗工件放置位置等。半导体后部生产工序中，由于指印、助焊剂、焊 料、划痕、沾污、微尘、树脂残迹、自热氧化、有机物等，在器件和 材料表
8、面形成各种沾污，这些沾污会明显地影响封装生产及产品质量， 利用等离子体清洗技术，能够很容易清除掉生产过程中形成的这些分 子水平的污染，从而显著地改善封装的可制造性、可靠性及成品率。在芯片、微电子机械系统 MEMS寸装中，基板、基座与芯片之间 有大量的引线键合，引线键合仍然是实现芯片焊盘与外引线连接的重 要方式，如何提高引线键合强度一直是行业研究的问题。 射频驱动的 低压等离子清洗技术是一种有效的、 低成本的清洁方法，能够有效地 去除基材表面可能存在的污染物，例如氟化物、镍的氢氧化物、有机 溶剂残留、环氧树脂的溢出物、材料的氧化层，等离子清洗一下再键 合，会显著提高键合强度和键合引线拉力的均匀性
9、，它对提高引线键合强度作用很大。在引线键合之前，气体等离子体技术可以用来清洗 芯片接点，改善结合强度及成品率，表3示出一例改善的拉力强度对 比，采用氧气及氩气的等离子体清洗工艺，在维持高工序能力指数 Cpk值的同时能有效改善拉力强度。据资料介绍，研究等离子体清洗 的效能时， 不同公司的不同产品类型在键合前采用等离子体清洗， 增 加键合引线拉力强度的幅度大小不等， 但对提高器件的可靠性而言都 很有好处。在芯片倒装封装方面， 对芯片和载体进行等离子体清洗， 提高其 表面活性以后再进行倒装焊， 可以有效地防止或减少空洞， 提高黏附 性。另一特点是提高填料边缘高度，改善封装的机械强度，降低因材 料间不
10、同的热膨胀系数而在界面间形成的剪切应力， 提高产品可靠性 和寿命。管座管帽若存放时间较长， 表面会有陈迹且可能有污染， 先对管 座管帽进行等离子体清洗，去除污染，然后封帽，可显著提高封帽合 格率。陶瓷封装通常使用金属浆料印制线作键合区、盖板密闭区。在 这些材料的表面电镀 Ni、Au 前，采用等离子清洗， 去掉有机物沾污， 提高镀层质量。4 展望等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体” ，它呈现出高度 激发的不稳定态，其中包括离子 （ 具有不同符号和电荷 ） 、电子、原子 和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁 烁的火焰、 光辉夺目的闪电、 以及绚烂壮丽的极光等都是等离子
11、体作 用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎 99 9%以上的物质都是以等离 子体态存在的， 如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。 用人 工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。 分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。 在通常情况下， 即 上述物质前三种形态， 电子与核之间的关系比较固定， 即电子以不同 的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。普通气体温度升高时， 气体粒子的热运动加剧， 使粒子之间发生 强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到 1 亿开，所有气体原子全部电离 电离出的自由电子总的负电量与正离 子总的正电量相等 这种高度电离的、
12、宏观上呈中性的气体叫等离子 体等离子体和普通气体性质不同， 普通气体由分子构成， 分子之间相互 作用力是短程力， 仅当分子碰撞时， 分子之间的相互作用力才有明显 效果，理论上用分子运动论描述在等离子体中，带电粒子之间的库 仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部 短程碰撞效果， 等离子体中的带电粒子运动时， 能引起正电荷或负电 荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场电场和 磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导； 等离子体能被磁场约束作回旋运动等 等离子体的这些特性使它区别 于普通气体被称为物质的第四态在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态宇宙研究、宇宙 开发、以及卫星、 宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入 新时代。
