提要
采用UNITEK公司提供的HF25型電流發(fā)生器（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國(guó)內(nèi)幾大自動(dòng)化廠商提供配套
www.jyee.com.cn）進(jìn)行非接觸式智能卡的焊接。調(diào)試過(guò)程中使用臺(tái)灣飛信半導(dǎo)體生產(chǎn)的鍍銀銅質(zhì)芯片，線圈型號(hào)為38.00awg,直徑0.1mm，焊片采用航天工業(yè)總公司北京通大高技術(shù)公司生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)焊片，焊接機(jī)為美國(guó)太平洋航空技術(shù)有限公司（AMPAC）生產(chǎn)。壓力值50psi——80psi,雙脈沖電阻焊中第一、第二脈沖分別為恒定功率和恒定電壓模式，連續(xù)焊接焊點(diǎn)不合格率在0.5%左右（潔凈度影響）。拉力試驗(yàn)、彎扭試驗(yàn)等均達(dá)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行并已投入正式生產(chǎn)。
一．前言
近年來(lái)，隨著信息產(chǎn)業(yè)部“金卡工程”的實(shí)施，在全國(guó)范圍內(nèi)迅速掀起了智能卡生產(chǎn)、讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)集成的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等等熱潮。各種卡片的投入，不僅在使用中極大的方便了用戶，提高了工作效率，而且從某種意義上，卡片將在未來(lái)的幾年里，逐步在網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)等高科技領(lǐng)域擔(dān)任重要的角色。而在這一系列的研究和開(kāi)發(fā)中，尤其值得注意的，就是非接觸智能卡生產(chǎn)線的投入。
目前國(guó)內(nèi)非接觸式智能卡的生產(chǎn)仍處于一個(gè)較為尷尬的局面，。一方面，在使用過(guò)程中，與接觸式卡相比，非接觸式卡的方便性、高效性和保密性等等優(yōu)勢(shì)正在逐步體現(xiàn)出來(lái)；而另一方面，困擾非接觸式卡片推廣的各種因素也制約了它的發(fā)展，如在某些行業(yè)如銀行、電力、超市等，接觸式卡基礎(chǔ)設(shè)施的投入規(guī)模較大且日漸成熟，非接觸式智能卡的介入有很大的困難。其他象非接觸式芯片生產(chǎn)廠家少，難以保證生產(chǎn)數(shù)量；雙界面卡幾乎同時(shí)與非接觸卡出現(xiàn)，并肩發(fā)展等等，都使得非接觸式智能卡的發(fā)展受到制約和挑戰(zhàn)。但是隨著人民生活水平和質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)關(guān)系到自己日常生活的各方面方便性和高效性將會(huì)提出越來(lái)越高的要求，基于此種因素，非接觸式卡片的發(fā)展應(yīng)該說(shuō)符合當(dāng)前的形勢(shì)要求。（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國(guó)內(nèi)幾大自動(dòng)化廠商提供配套
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二．工藝介紹
非接觸式智能卡的生產(chǎn)，目前主要有沖孔、填裝、埋線、焊接、層壓和沖卡等六道工序。而在這六道工序中，尤其重要的，就是焊接工序，焊接工序擔(dān)負(fù)著從導(dǎo)線、芯片和PVC位置的立體布置完成（沖孔、填裝和埋線工序），到PVC熱壓將卡片完全封裝保護(hù)起來(lái)（層壓工序）的銜接任務(wù)，這個(gè)銜接任務(wù)，就是既將導(dǎo)線和芯片牢固可靠的連接起來(lái)，使芯片能夠有效的和外界實(shí)現(xiàn)交易和通話；又不能使芯片和PVC出現(xiàn)過(guò)大的變形，以免影響層壓工序，對(duì)芯片的表面質(zhì)量造成影響。同時(shí)，焊接環(huán)節(jié)也是最容易受之前工序影響的工序。而在具體生產(chǎn)過(guò)程中，一方面要求焊接效果要好，另一方面還要求盡量的降低焊片的磨損，以達(dá)到降低原材料消耗的目的。一般影響焊接效果和焊片磨損程度的因素，主要是焊接壓力、焊接時(shí)間、焊接參數(shù)的類型、大小和這幾個(gè)因素之間的相互配合，以及工件的潔凈度等等。
三．試驗(yàn)原理
1．焊接壓力
焊接時(shí)的壓力是影響焊接效果的一個(gè)很重要的因素，在焊片從剛剛使用到結(jié)束使用的整個(gè)過(guò)程中，焊接壓力的具體數(shù)值也不同。當(dāng)一個(gè)新焊片剛開(kāi)始使用時(shí)，由于焊片的電阻比較小，電流通過(guò)電流通路產(chǎn)生的熱量也比較小，這時(shí)選用較高一些的壓力值會(huì)得到比較滿意的效果；當(dāng)焊片經(jīng)一定時(shí)間的使用后到達(dá)焊片的使用末期，此時(shí)因?yàn)楹钙碾娮桦S著溫度的升高而變大，如果還是采用比較高的壓力參數(shù)，那么將會(huì)造成芯片的變形過(guò)大，甚至造成導(dǎo)線被壓斷的情況出現(xiàn)，同時(shí)還會(huì)對(duì)焊片造成較大的磨損。所以此時(shí)益采用較小的壓力參數(shù)來(lái)完成焊接。同時(shí)再具體結(jié)合芯片金屬部分使用的材料和導(dǎo)線具體的不同型號(hào)，整個(gè)過(guò)程中的壓力參數(shù)一般在80psi—50psi之間即可。
2． 焊接時(shí)間與焊接參數(shù)的選用
焊接時(shí)間的選用與焊接參數(shù)類型、大小的選用有十分密切的關(guān)系，所以，在此將這三種因素合在一起闡述。
A．焊接參數(shù)類型。現(xiàn)在非接觸式智能卡生產(chǎn)過(guò)程中所使用的焊接，一般都是雙脈沖電阻焊。即將數(shù)量受控制的電流通過(guò)兩部分壓合在一起的金屬，并在接面處產(chǎn)生熱量。第一個(gè)脈沖的任務(wù)是利用產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)線表面的電鍍層和氧化物燒掉，第二個(gè)脈沖的任務(wù)是將導(dǎo)線和芯片的金屬部分熱壓在一起。產(chǎn)生熱量的多少可由以下公式表現(xiàn)：
Q=I²Rt
其中：Q為產(chǎn)生的熱量，單位焦?fàn)枺?
I為焊接電流，單位安培；
R為工件電阻，單位歐姆；
t為電流通過(guò)時(shí)間，單位秒。
a.第一個(gè)脈沖。
現(xiàn)今國(guó)內(nèi)對(duì)非接觸式智能卡的焊接參數(shù)，多采用電流恒定的反饋模式。筆者在具體生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選取參數(shù)的形式應(yīng)根據(jù)不同的焊接情況采用不同的反饋模式，而不可拘泥與一種。在雙脈沖電阻焊的應(yīng)用中，因?yàn)榈谝粋€(gè)脈沖的主要任務(wù)是將漆包線外面的電鍍層和氧化物燒掉，那么在這段過(guò)程中電流發(fā)生器所探測(cè)到的電阻數(shù)值有一個(gè)較大的變化，大體如圖一所示。
圖一.第一個(gè)焊接脈沖過(guò)程中焊接電阻的變化
在這個(gè)具體的變化過(guò)程中，由于熱量的增加，將導(dǎo)致漆包線上的電鍍層逐漸被破壞，當(dāng)漆包線與焊頭接觸的部分（稱為上部）的電鍍層被燒開(kāi)，電流發(fā)生器此時(shí)探測(cè)到的為焊頭部分與導(dǎo)線部分并聯(lián)的電阻；隨著過(guò)程的深入，漆包線與芯片接觸的部分（稱為下部）的電鍍層被燒開(kāi)，此時(shí)電流發(fā)生器探測(cè)到的為焊頭、導(dǎo)線和芯片共同并聯(lián)的電阻。由于擊穿漆包線上部絕緣層之后到擊穿漆包線下部絕緣層之間的時(shí)間非常短暫（即上圖過(guò)渡時(shí)間），所以也可以將上圖理解為一條平滑下降的曲線。同時(shí)，由于漆包線的圓形截面受壓力發(fā)生變化，也會(huì)造成電阻的降低。如圖二所示。
由于焊頭部分電阻變化較大，此時(shí)若采用電流恒定的反饋方式，由以上公式我們不難發(fā)現(xiàn)，由于電流恒定不變，而電阻卻有一個(gè)較大的變化過(guò)程，那么這個(gè)過(guò)程中得到的熱量將是很不穩(wěn)定的，且呈下降趨勢(shì)。由于熱量的不斷下降，很容易造成電鍍層燃燒不充分，對(duì)焊接的牢固性和可靠性造成影響。同時(shí)，當(dāng)氧化較嚴(yán)重或電鍍層較厚時(shí)，此時(shí)采用恒定電流模式，電源將電壓提升到很高以獲取初始電流，電流的快速輸入以及同時(shí)較高的電壓很可能引起爆焊。如果采用恒定電壓模式，雖然可以解決由于電阻變化而造成對(duì)熱量方面的影響，但是在焊接圓形工件時(shí)，電壓達(dá)不到擊穿厚的氧化層或電鍍層所需要的值。如果是新芯片和薄電鍍層的漆包線還可以，但是在具體的生產(chǎn)中，如果因?yàn)樘厥庠蚴沟眯酒诳諝庵斜┞稌r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或者選用的漆包線電鍍層過(guò)厚或不均勻，那么電壓就很難達(dá)到要求了。而采用恒定功率方式則會(huì)避免這種情況出現(xiàn)。首先恒定功率保證了I²R乘積的不變，從而使得產(chǎn)生的熱量保持恒定，可以有持續(xù)和充足的熱量來(lái)處理氧化層和電鍍層；其次，恒定功率模式還可以有效的防止爆焊。功率是電流和電壓的乘積，當(dāng)采用恒定功率模式焊接時(shí)，電壓最初很高，因?yàn)殡娏鞅浑婂儗雍脱趸瘜拥母唠娮柘拗频暮苄?；?dāng)氧化層消失或絕緣層被擊穿時(shí)，通過(guò)的電流增多，而電壓隨之降低。電壓和電流不會(huì)同時(shí)達(dá)到最高值，則避免了爆焊。所以采用恒定功率模式，在去除氧化層，擊穿電鍍層，建立電流通路方面更加安全和方便。
b.第二個(gè)脈沖。
第二個(gè)脈沖的主要任務(wù)，是將燒去電鍍層的導(dǎo)線和芯片的金屬部分焊接在一起，建立起芯片和外界通話的渠道；同時(shí)又要考慮到不能讓芯片出現(xiàn)較大的變形，以免對(duì)下一道層壓工序造成影響。在芯片的焊接過(guò)程中，由于焊頭、導(dǎo)線與芯片金屬部分吸收熱量不斷增加，使得金屬的電阻也隨之增加。由公式Q=I²Rt可以看出，如果此時(shí)采用恒定電流模式，金屬電阻的增加又進(jìn)一步使得熱量增大，造成了焊接過(guò)程中電阻與熱量的相互促進(jìn)的現(xiàn)象，熱量越來(lái)越大，則會(huì)造成焊接強(qiáng)度過(guò)大、芯片出現(xiàn)異常變形的結(jié)果。采用恒定電流模式的解決辦法，只有利用人工來(lái)將電流調(diào)小，以達(dá)到降低熱量的目的，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。如果繼續(xù)象第一個(gè)脈沖一樣采用恒定功率模式自然也可以，仍由公式Q=I²Rt可知，由于I²R乘積的不變，可以維持整個(gè)Q值的不變，即熱量恒定。但是這種不變卻沒(méi)有改變由于溫度升高帶來(lái)的R的升高，為了維持功率不變，只有靠電流發(fā)生器自己不斷降低電流，提升電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)處在一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，使得R、I、U都處于一個(gè)單向發(fā)展的情況下。
此時(shí)如果采用恒定電壓模式則完全不同了。由Q=U²/R·t可得到，。整個(gè)系統(tǒng)處于一個(gè)自我調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。這不僅僅使得系統(tǒng)穩(wěn)定了許多，遏制了焊頭電阻的不斷升高，延長(zhǎng)了焊片的使用壽命；而且在具體的生產(chǎn)過(guò)程
中，大大降低了人工調(diào)節(jié)的頻度，減少了工人的勞動(dòng)量。
B．焊接參數(shù)的大小和焊接時(shí)間。
選定焊接參數(shù)的類型固然十分重要，而在焊接參數(shù)應(yīng)用時(shí)，焊接時(shí)間和焊接參數(shù)的大小選擇也時(shí)影響焊接質(zhì)量和焊片壽命的重要因素。在整訂時(shí)間時(shí)，首先要明確雙脈沖圖形中各段的作用。如圖三所示。
明確了各時(shí)間段的作用，還要知道，當(dāng)電鍍層被擊穿后，僅僅是金屬與金屬之間的焊接時(shí)（一般為銅和鍍銀銅或銅和含金銅），需要的熱量并不是太多。熱量大部分用于將電鍍層擊穿和燒掉氧化層。所以，第一個(gè)脈沖中發(fā)出的熱量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二個(gè)脈沖的熱量。那么在第一個(gè)脈沖完成之后的冷卻時(shí)間就顯得尤其重要，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)冷卻時(shí)間，對(duì)延長(zhǎng)焊片的使用壽命有非常重要的作用（即適當(dāng)延長(zhǎng)上圖中5的時(shí)間）。其他各段的時(shí)間，依據(jù)不同的參數(shù)值來(lái)具體選擇，可以利用在顯微鏡下觀察的方法來(lái)獲取具體值，在這里不再贅述。需要指出的是，在每個(gè)脈沖到達(dá)恒定值之前，必須要有一定的上升時(shí)間，否則由于焊片接受熱量過(guò)快，很容易造成爆焊。
UNITEK提供的HF25型的電流發(fā)生器內(nèi)部裝有檢測(cè)裝置，用于觀測(cè)在雙脈沖過(guò)程中的電流、電壓、電阻的變化情況。第一個(gè)脈沖過(guò)程中的電流波形最初應(yīng)很低，之后顯著上升，逐漸變成水平。若電流波形上升太快或出現(xiàn)爆焊，則須將功率降低；若電流未升到足夠大，則須調(diào)大功率。當(dāng)電流波形恰好到達(dá)水平時(shí)，此時(shí)的功率也就是我們想要的恒定功率值?？梢越?jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得出功率的范圍值。在此過(guò)程中也可使用觀察法，即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖發(fā)生完之后，在顯微鏡下觀察，如果漆包線電鍍層燃燒或液體流走不充分，則將功率升高（或時(shí)間延長(zhǎng)）；如果漆包線電鍍層燃燒過(guò)大使得PVC變色，或芯片出現(xiàn)較大變形，則將功率降低（或時(shí)間縮短）。第二個(gè)脈沖值可用同一個(gè)參考值（如電流或電壓）與第一個(gè)脈沖相比較，大小與第一個(gè)脈沖基本相同即可，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出。時(shí)間可以是第一個(gè)脈沖的1/3即可。
需要注意的是，在第一個(gè)脈沖過(guò)程中，由于在焊接過(guò)程中焊片溫度的升高，使得焊片電阻也隨之升高，此時(shí)觀察焊接時(shí)的火花，如果過(guò)大，可將功率適當(dāng)調(diào)小，一片焊片大約須十幾個(gè)參數(shù)；而第二個(gè)脈沖由于可以實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，則不須頻繁下調(diào)，只須兩、三個(gè)參數(shù)即可。
四．具體參數(shù)
由以上原則得到的參數(shù)舉例如下：
以上參數(shù)為焊片到達(dá)使用中期時(shí)的穩(wěn)定參數(shù)，可以作為較經(jīng)典的參數(shù)值。
具體的參數(shù)選擇第一個(gè)脈沖為0.080KW——0.055KW范圍內(nèi)，根據(jù)不同的焊接對(duì)象和焊接時(shí)間選擇幾個(gè)或十幾個(gè)不同的值即可。第二個(gè)脈沖則由0.600V——0.500V之間，由于它的自我調(diào)節(jié)的功能，選擇兩、三個(gè)值即可。壓力的選擇主要以芯片變形的程度和拉力試驗(yàn)為依據(jù)。時(shí)間段的選擇可與參數(shù)值大小的選擇相互配合，當(dāng)然，由于焊片、漆包線或芯片的材料變化，也要相應(yīng)的變化參數(shù)值。一般在檢測(cè)出工件電阻值之后，依據(jù)U=IR、I=U/R、W=I²R=U²/R等幾個(gè)經(jīng)典公式即可得出參數(shù)范圍，再經(jīng)簡(jiǎn)單試驗(yàn)，配合觀察法和拉力試驗(yàn)即可得出具體值。在這里不再詳細(xì)闡述。
以上參數(shù)已經(jīng)筆者大量的實(shí)驗(yàn)證明了它的可靠性，并且已經(jīng)被某非接觸式智能卡廠家使用到正式生產(chǎn)中，一片焊片從新投入到使用結(jié)束只須幾組或十幾組參數(shù)就可以完成，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。焊點(diǎn)絕大多數(shù)可以達(dá)到100克力以上，而且尤其重要的是，此種參數(shù)的使用，大大延長(zhǎng)了焊片的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的焊片一般都可以達(dá)到每片焊接7000張卡片，與一般成型的參數(shù)相比，在相同焊片的情況下，接近雙倍的焊接能力。當(dāng)然，焊片的使用壽命與平時(shí)操作工人的維護(hù)也有很大關(guān)系，筆者在某工廠調(diào)試參數(shù)時(shí)，曾經(jīng)見(jiàn)到由兩名操作工人用以上的參數(shù)操作，用一片焊片焊接了9600張卡片，而且焊接拉力抽檢符合正常的生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)。但是經(jīng)筆者觀察，焊點(diǎn)的面積明顯小了許多（焊片打磨氧化層及正常磨損的原因），所以建議使用以上參數(shù)時(shí)，以7000張做為焊片極限即可。
五．焊接過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)
當(dāng)然，參數(shù)的選定固然重要，在具體生產(chǎn)過(guò)程中的操作也會(huì)對(duì)焊接成功率造成影響。在這里簡(jiǎn)單提幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：
1. 盡量防止因芯片的缺少或擺放不正造成焊片與PVC或Platen的直接接觸放熱；
2. 打磨焊片不宜過(guò)于頻繁，一般以焊接200張卡片打磨一次即可；
3. 焊接完成后的PVC中張?jiān)诮唤舆^(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程或做試驗(yàn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格保持水平，以防焊點(diǎn)崩裂；
4. 嚴(yán)格控制焊接前各工序的操作，避免因芯片上雜物過(guò)多或漆包線擺放不正而造成的焊接失?。?
5. 當(dāng)一片新的焊片投入使用時(shí)，安裝過(guò)程中盡量保證焊片底部與Platen保持水平，且注意焊片兩側(cè)受力均勻。
這幾點(diǎn)注意事項(xiàng)只是為了避免在生產(chǎn)過(guò)程中因人為因素出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，與參數(shù)本身沒(méi)有關(guān)系。（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國(guó)內(nèi)幾大自動(dòng)化廠商提供配套
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總之，利用以上原則所獲得的焊接參數(shù)，在焊接質(zhì)量、操作的方便性、可靠性以及延長(zhǎng)焊片使用壽命、降低焊片使用數(shù)量方面，都可以達(dá)到一個(gè)非常滿意的效果。
以上所闡述的焊接參數(shù)只是筆者在使用UNITEK提供的HF25型電流發(fā)生器時(shí)偶有所得，在此提出與大家交流。對(duì)于HF25型電流發(fā)生器來(lái)說(shuō)，應(yīng)該還有更多更方便的功能可以開(kāi)發(fā)和利用。相信在非接觸式智能卡業(yè)的同仁們會(huì)有更加豐富和權(quán)威的經(jīng)驗(yàn)，希望能夠得到大家的批評(píng)和指教。也相信經(jīng)過(guò)我們的努力，將會(huì)有更多更先進(jìn)的技術(shù)革新出現(xiàn)在非接觸式智能卡甚至雙界面卡的生產(chǎn)過(guò)程中。
注：現(xiàn)在我司的精源牌焊接電源（電流發(fā)生器）可以采取“III--恒電流”、“UUU--恒電壓”、“PPP--恒功率”、“WWW--定脈寬”等幾種方式，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)自動(dòng)化廠商更多采取“WWW--定脈寬”方式實(shí)現(xiàn)，能夠很好控制，也有采取“UUU--恒電壓”實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)問(wèn)題請(qǐng)咨詢我司諶工--18664716647
