铜铝异种金属钎焊工艺研究.docx

杜隆纯 1， 宋芳芳 2， 卫国强 1， 金亮 1（1华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640； 2电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室， 广东 广 州 510610）摘要： 由于 Sn 基钎料对硬铝的润湿性差及焊后服役过程钎焊接头耐腐蚀性降低的问题， 因此制备高可靠性的大面积、 高致密度的铜 铝异种金属的钎焊接头是非常困难的。 本文研究了铜与硬铝之间的钎焊连接工艺， 提出了在硬铝表面化学镀 NiP 的方法， 并且采用 炉中钎焊来保证钎焊温度的均匀。 试验结果表明： 采用这一工艺方法可以很好地实现铜与硬铝之间的钎焊连接， 所获得的钎缝没有明 显的钎焊缺陷； 在 NiP/Sn5Sb 钎料界面形成 （Ni， Cu）3Sn4 相， 而在 Cu/Sn5Sb 钎料界面形成扇贝状的 Cu6Sn5 相。关键词： 铝铜钎焊； 化学镀 NiP； Sn5Sb 钎料中图分类号： TG457.1； TG454文献标志码： B0前言随着异种金属连接技术的不断发展， 铜铝异种 金属接头由于具有优良的力学性能和导电、 导热性 能， 可以应用到很多工业领域， 如电气工程、 化工、 制冷工业1。 目前， 铜铝异种金属焊接主要采用熔 焊、 压力焊 和 钎 焊 。 由于铜和铝的熔点相差较大 ， 熔化焊时易形成未熔合和夹杂； 同时在界面形成硬 脆且电阻极大的金属间化合物2。 另外， 铝的热膨胀 系数大而弹性系数小， 焊后变形较大， 因此采用熔 化焊工艺还有待进一步研究。 对于铜铝异种金属的 压力焊方法主要有冷压焊、 摩擦焊、 爆炸焊和热压 焊。 Jiahu Ouyang 等人3采用搅拌摩擦焊方法对铜与 6061 铝合金对接接头的研究表明， 焊后的机械混合 区的显微硬度偏高， 使得直接搅拌摩擦焊焊接铜铝 有一定的困 难 。 此 外 ， 压焊需要专门的焊接设备 ， 成本较大， 并且工艺复杂， 局限性大。在铜铝钎焊工艺中， 如果直接进行钎焊会存在 很多问题， 如钎焊温度过高和保温时间过长都会使 钎缝中生成脆性相 （CuAl2， Cu2Al， Cu3Al2 等 ）， 使收稿日期： 2013-06-04基金项目： 电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室开放 基 金 课 题 （ZHD201207） 及 重 点 实 验 室 基 金 课 题钎缝的强度和塑性都降低， 甚至会使钎缝中产生晶 间腐蚀， 同时为去除致密的铝氧化膜， 需使用腐蚀 性大的钎剂， 而钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂， 会 导致钎缝严重腐蚀。 因此， 铜铝异种金属直接钎焊 困难较大， 并且接头质量也不好4-6。 为减少铝铜原 子的直接接触， 避免形成脆性金属间化合物， 可以 先在铝表面镀一层金属， 然后与铜钎焊。 由于铜不 与铝直接钎焊， 这样就可采用腐蚀性小或无腐蚀性 钎剂， 因而可提高钎焊接头的强度和抗腐蚀性。 杭 春进等7设计在铝表面电镀 NiSn， 从而改善直接铜 铝钎焊的不利影响。 本试验采用化学镀的方法， 在 硬铝表面镀一层 NiP 合金， 镀层合金与钎料反应， 从而消除铝铜直接钎焊时的不利影响。 采用无铅 Sn 5Sb 合 金 作 为 钎 料 ， 该合金钎料的熔点 为 245 ， Sn5Sb 钎料可以为钎焊接头提供良好的强度和导热 性能8-9。 通过金相分析、 扫描电镜分析和 X 射线无 损检测等方法， 证实了该工艺方法是可行的。1 试验11 试验材料待焊铝件的牌号为 2A12 （LY12）， 铜件为纯铜（w（Cu）9995）。 将铝件待焊部位预磨抛光， 然后 进行化学镀 NiP 薄膜， 经扫描电镜 （SEM） 测定，38 工艺与新技术焊接技术第 43 卷第 1 期 2014 年 1 月分数）。 将铜件的待钎焊部位用砂纸打磨， 然后分别 在 （HCl）5溶液、 去离子水、 无水乙醇中浸泡并吹 干。 试验所用钎料为成分是 Sn5Sb （质量分数） 的 片状钎料 （厚度为 015 mm）， 将其裁剪成与钎缝尺 寸相同的焊片， 钎剂采用 ZnCl2NH4Cl 系钎剂和松香 型 （中活性） 钎剂。12 试样装配图 1 为试验模型装配示意图， 铝件的尺寸为 70 mm50 mm25 mm， 铜件圆柱体底圆直径为 15 mm， 高为 70 mm。 把焊片 （70 mm48 mm） 放入铝件待 钎焊部位 （圆弧处）， 保证和铝件良好接触。 在装配 的焊片处和铜件的待钎焊处涂上钎剂， 然后把铜件压入铝件， 并在工件的两端面待钎焊处补充涂覆钎剂。X 射线探伤结果， 在图中白色的位置表示有可能出 现缺陷的地方。 从图 2 和图 3 可看出， 在钎缝半圆 弧 两 边 ， 没 有 白 点 出 现 ， 说明在两边的投 影 位 置 不 存 在 缺 陷 。 但是在铜件上出现了一些规则的纵 平 行 线 ， 并且在纵平行线位置 ， 局部出现了少量 的 白 点 。 纵平行线可以理解为在铜件内部开了规 则的槽口 （ 图 1 中 未 标 出 ）， 这是产生纵平行线的 原 因 。 而在纵平行线的位置出现的局部的白点可 以 认 为 是槽口的影响所致 ， 并不表示钎缝存在缺 陷。 因为它们都是规则分布的 ， 如出现钎焊缺陷 ， 它 应 是 不 规 则 的 、 并且是随机出现的 。 因 此 ， 可 以 初 步 判定它们不是钎焊缺陷 ， 而是试样的加工 槽口不均匀所致。yx13钎焊工艺2A12CuNi-P钎料图 1 试验模型装配示意图图 2 有机钎剂钎缝 X 射线探伤结果图 3 无机钎剂钎缝 X 射线探伤结果把装配好的试样放入炉温为 300 的加热炉内， 保温 10 min， 然后再打开炉门， 取出试样， 完成钎 焊。 将钎焊后的工件用热水 （水温为 60 ） 浸泡， 必要时可用毛刷擦洗， 而后放入流动的清水中浸泡， 保证钎剂残渣清除干净。14分析检测方法首先将钎焊后的试样进行 X 射线无损检测， 然后截 取工件钎缝的横截面， 经研磨、 抛光、 腐蚀 （HCl） 3（HNO3）2（C2H5OH）95%腐蚀液） 后， 采用低 倍显微镜和金相显微镜观察钎缝横截面的宏观形貌， 扫 描电镜 （SEM） 观察焊点界面 IMC 的微观形貌、 能谱 仪 （EDS） 确认相成分， 利用 Image Pro Plus 60 软件计 算出界面 IMC 的平均厚度 （IMC 面积除以界面长度）。2试验结果及分析21X 射线无损检测分析由于钎焊接头形状复杂， 是圆弧面， 当它们投 影到一个水 平 面 时 ， 对缺陷的判定就较为困难了 。 另一方面， 铜件内壁还加工了一些槽口， 同时铜件 是 3 层结构 （铜/陶瓷/铜的 “三明治” 结构）， 所以 对 X 射线图形的判定干扰就更大了。 但还是可以结 合横截面钎缝检查， 根据经验初步判断， 得出较合 理的结果。22金相分析在钎焊过程中， 液态钎料和 NiP 镀层以及铜表 面产生冶金反应， 从而与之产生冶金结合。 图 4 为 试样横截面钎缝显微组织形貌图。 从图 4a， b 可以 看出， 在钎缝处结合紧密， 并没有发现任何钎焊缺 陷存在。 无论是在 NiP/Sn5Sb 钎料界面， 还是 Cu/ Sn5Sb 钎料界面， 都没有发现明显的微裂纹； 钎缝 内也没有明显的夹渣、 气孔存在。 此外， 钎料能很 好地润湿 2 种不同的基体， 这表明在钎缝界面处已图 2 和图 3 表示采用不同钎剂时钎焊零件后的 经形成良好的冶金结合。Welding Technology Vol43 No1 Jan. 2014工艺与新技术 392A122A12Ni-P 过渡层钎料钎料CuCu 10 m 10 m （a） 未腐蚀前全貌图2A12（b） 腐蚀后全貌图2A12Ni-P 过渡层钎料Ni-Sn-Cu IMC钎料Cu-Sn IMCCu10 m10 m（c） 腐蚀后 NiP/Sn5Sb 界面形貌（d） 腐蚀后 Sn5Sb/Cu 界面形貌图 4 NiP/SnSb/Cu 钎缝显微组织形貌图 4c 和图 4d 分别为经过腐蚀后 NiP/Sn5Sb 钎 料界面和 Cu/Sn5Sb 钎料界面的显微形貌。 从图 4c 可 以看出， 在 NiP 层与钎料之间形成了一层颜色较浅 的金属间化合物； 而在 Cu 与钎料之间可以清楚地观 察到一层连续白亮的扇贝状金属间化合物 （图 4d）。 23 扫描电镜分析为了进一步了解界面 IMC 的形貌及确诊 IMC 的 相组成， 对试样进行了扫描电镜分析， 所得结果如 图 5 所示。 图 5a 表示钎焊后 NiP/Sn5Sb/Cu 的钎缝 全貌图， 图 5b 和图 5c 分 别 为 NiP/Sn5Sb 钎 料 和 Cu/Sn5Sb 钎料的界面形貌。 通过能谱分析， 在 Ni P/Sn5Sb 钎料界面处并没有发现 Al 元素， 这说明镀 Ni 层很好阻止了 Al 向钎料中扩散， 这样就避免了形 成脆性的 AlCu 金属间化合物。 另外， 在两界面处 也没有观察到含 Sb 的金属化合物， 这是由于 Sb 固 溶到 Sn 中形成固溶体。2A122A12Ni-P 层Cu6Sn5SolderNi-P 层Ni-Sn-Cu IMC Cu-Sn IMCSolderCuSolder（Ni，Cu）3Sn4Cu（a） 钎缝全貌（b） NiP/Sn5Sb 界面（c） Sn5Sb/Cu 界面图 5 NiP/SnSb/Cu 界面显微组织形貌 SEM 图在 NiP/Sn5Sb 钎 料 界 面 处 形 成 了 Ni3Sn4 相 ， 没有其他新相形成， 这一结论与 Shawkret Ahat 等人10的结论相符， 另外， 在 Ni3Sn4 相中还检测到了少 量 Cu 元 素 ， 也 即 形 成 （Ni， Cu）3Sn4， 这 可 能 是 由 于钎焊温度较高钎焊时 间 较 长 ， 导 致 Cu 基 板 中 的 Cu 越过钎料扩散到 NiP/Sn5Sb 钎料界面。 本试验 中 （Ni， Cu）3Sn4 相的形貌除了贴近 NiP 层的一部 分为层状形貌外， 还有一部分溶入到钎料中。 而在Cu/Sn5Sb 钎料界面处则形成了一层连续的扇贝状 的 Cu6Sn5 相， 由于钎焊时间比较短， 在 Cu6Sn5 层与 Cu 之间并没有其他新相形成 （在现有的分辨率没有 观察到 Cu3Sn）。 通过 Image-Pro Plus 60 软件， 测量 得 Cu/Sn5Sb 钎 料 界 面 的 IMC 厚 度 为 338 m， 这 既能保证界面具有良好的冶金结合， 又能保证钎焊接头性能不受金属间化合物的厚度影响。 对于 NiP/ Sn5Sb 界面的 IMC， 由于有许多 IMC 溶入钎缝内 ， 因此不能准确评估其厚度， 但可以观察到， 形成了 明显的层状 IMC， 表明界面接合良好。 为什么 Ni 的 金属间化合物大量溶入钎料内， 有待进一步研究。3 结论（1） 采用在硬铝表面化学镀 NiP 的方法， 一方 面可以解决钎料和硬铝边钎焊时结合不好的问题 ； 另一方面， 也可提高钎焊接头的耐腐蚀性能。（2） 采用预置钎料的方法和炉中钎焊， 可得到 大面积、 高致密性的铜铝钎焊接头。（3） Sn5Sb 钎料在化学镀 NiP 硬铝表面和铜表 面都具有良好的钎焊工艺性能， Cu/钎料界面和 Ni P/钎料界面都没有发现明显的微裂纹， 钎缝内也没有 明显的夹渣、 气孔存在。（ 4） 在 Ni P/Sn 5Sb 钎料界面处形成 层 状 的（Ni， Cu）3Sn4 相和溶入钎料内部的 （Ni， Cu）3Sn4 相； 而在 Cu/Sn5Sb 钎料界面处形成一层连续的扇贝状 的 Cu6Sn5 相。参考文献：1 李亚江， 王娟， 刘鹏 异种难焊材料的焊接及应用M 北 京： 化学工业出版社， 20042 Brauovic M， Aleksandrov N Effect of electrical current on the mor-phology and kinetics of formation of intermetallic phases in bimetal-（下转第 43 页）Welding Technology Vol43 No1 Jan. 2014焊接设备与材料 4324调速系统调速系统由送丝机构和小车行走机构， 其控制 方式相同， 如图 6 所示， 均采用 110 V 直流伺服电 机控制， 通过双向可控硅 Z0405 调节电机两端电枢 电压。 同步脉冲信号来自同步变压器的两端， 经光电耦合器得到相 隔 180 的 同 步 脉 冲 ， 接 至 dsPIC30F4011。 触发脉冲信号经 反 相 器 、 微 分 电 路 及三极管驱动后形成触发小功率光激硅的信号， 实 现双向硅 Z0405 的触发。 采样信号用于采样电枢电 压， 进行电枢电压反馈调节。触发脉冲 1 2同步脉冲 4 3GND1采样信号VCC1220 VGND1T110 V电动机3结论图 6 调速系统原理图埋弧焊机中， 性能稳定、 可靠。根据埋弧焊机对控制电路的要求， 设计了以 DSC 为核心的双核控制系统， 通过互感器采样和给定信号 实现外环调节及线性光耦隔离采样实现内环反馈调节 控制 PWM 脉宽； 通信接口采用 20 mA 电流环技术增强了通信过程中的抗干扰能力； 调速系统均采用 110 V 直流伺服电机。 设计的控制系统应用于 MZ1000参考文献：1 黄石生， 何宽芳， 孙德一， 等 数字化控制的埋弧自动焊装备的 研制J 华南理工大学学报， 2008， 36（8）： 6973.2 孙稚， 孙梅生， 王磊 大功率 IGBT 驱动模块 2SD315A 的 特性及其应用J 电力电子技术， 2002， 36（6）： 7375.3 马跃洲， 梁卫东， 张鹏贤， 等 数字控制的埋弧自动焊机研制J 电焊机， 2002， 32（8）： 1115.!（上接第 39 页）lic aluminum copper jointsC/Proceedings of the 39th IEEE Holm Conference on Electric Contacts， Pittsburgh， PA， USA， 1993： 261 2683 Jiahu Ouyang， Yarrapareddy Eswar and Kovacevic Radovan Mi- crostructural evolution in the friction stir of welded 6061aluminum alloy to copperJ Journal of Materials Processing Technology， 2006， 172（1）： 1101224 闫飞， 徐道荣