《钎焊》课件 第12、13章 新型材料的钎焊；电子制造中的钎焊

钎焊SolderingandBrazing第11章新型材料钎焊制作者：制作：第11章新型材料钎焊12.1超导材料钎焊

12.1.1超导材料分类及焊接需求

12.1.2低温超导材料

12.1.3高温超导材料12.2形状记忆合金钎焊12.3TiAl金属间化合物钎焊12.4铝基复合材料钎焊12.5本章小结

本章主要内容：12.1超导材料钎焊核心特性：在一定的低温条件下电阻为零且能完全排斥磁力线的材料目前面临问题：确保连接接头组织与母材类似或超导电性与母材接近，或在服役温度下接头电阻尽可能小。12.1.1超导材料分类及钎焊需求Tc低于25-30K的超导材料，主要包括Nb-Ti、Nb3Sn、Nb3Al等。01Tc高于25-30K的超导材料，主要包括铋系（Bi-Sr-Ca-Cu-O）、钇系（Y-Ba-Cu-O）、镧系（La-Ba-Cu-O）等。02根据是否产生超导特性的临界转变温度（Tc），超导材料可分为两类:世界首根百米级超导线设想中的高温超导磁悬浮列车超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊低温超导材料高温超导材料12.1超导材料钎焊12.1.2低温超导材料1.钎焊特点Nb-Ti合金超导材料通常采用软钎焊的方法，存在的主要问题为：钎焊接头应具有低的电阻。钎焊导致材料组织改变，一般钎焊温度不能超过350-400℃。接头强度需进一步提高。接头的形式及尺寸应尽可能小。Nb-Ti超导接头截面（Pb-Bi焊料）10.1038/s41598-019-50549-72.钎料Nb-Ti超导材料钎焊主要采用Sn基、Pb基或Sn-Pb合金钎料。高Pb钎料Pb97.5Ag，其接头具有良好的低温综合性能（低温电阻率约为8×10-12Ω·m），钎焊温度约330℃。无铅钎料，如In65.8-Sn34.2(wt.%)和In54.3-Sn36.8-Bi8.9(wt.%)，其钎焊界面反应产物为连续或不连续的化合物<Nb,Ti>Sn2。超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊Nb-Ti合金是应用最广泛的低温超导材料，早期单芯超导材料是通过在铜、铝线材或带材基体中镶嵌很多根排列规则的细丝超导材料，逐步发展成目前实际使用的多芯复合超导材料。其连接研究与应用相对较成熟，低温钎焊已广泛用于超导磁体的制造。12.1超导材料钎焊12.1.2低温超导材料Nb-Ti超导材料可以用烙铁、电阻、超声波、保护气氛下的钎焊等方法：烙铁钎焊是一种最简单的方法，但要求具有熟练的技巧，钎焊层厚度和质量不易控制；电阻钎焊是连接Nb-Ti超导材料较理想的方法。应用实例：超导受控核聚变装置纵场线圈超导线接头的钎焊针对超导母排结构的连接要求，接头采用搭接接头方式。采用钎料50Sn-30Pb-20Cd（熔化温度：128℃）和含少量活性剂的松香基膏状钎剂，钎焊温度控制在128-200℃。测试结果显示48个超导线接头的平均电阻3.75×10-9Ω，达到电阻小于1×10-8Ω的要求。接头已经受了近30轮的低温超导试验，纵场的最大励磁电流高达5050A，证实了钎焊接头的可靠性3.钎焊工艺HT-7装置纵场线圈超导线结构示意图（铜基NbTi超导线）焊接,2003(7):29-30超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.1超导材料钎焊12.1.3高温超导材料铋系（第一代高温超导材料）：Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO），其中包括Bi-Sr-Ca-Cu-O-2212（Bi-2212）和Bi-Sr-Ca-Cu-O-2223（Bi-2223），Tc约90-110K；钇系（第二代高温超导材料）：Y-Ba-Cu-O（YBCO或REBCO），Tc约90K；镧系：La-Ba-Cu-O，Tc约36K；铊系：Tl-Ba-Ca-Cu-O，Tc最高125K；新型高温超导材料：MgB2、铁基超导材料的Tc分别为39K和55K。高温超导材料的连接，目前存在的主要问题为：化学活性低、脆且对环境敏感，连接性差，连接条件苛刻（高温高压，真空）。接头需保证足够的强度和超导电性。银或者银合金包套的Bi-2223带材钎焊温度不可高于300℃。第一代和第二代高温超导带材结构1.钎焊特点超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.1超导材料钎焊12.1.3高温超导材料63Sn34Pb1Bi2Ag焊膏钎焊Bi-2223带材的接头显微结构形貌a）保温时间1minb）保温时间5min2.钎料及钎焊工艺ab钇系（YBCO）超导块材：一般采用接近块材成分和晶体结构的钎料进行硬钎焊。钇系（YBCO）涂层超导材料：因其外表面是金属或合金，一般是采用软钎焊直接连接。目前铋系（BSCCO）带材钎焊的钎料是低温钎料/膏，包括：SnPb、SnCuAg、SnPbAg、SnPbSb、BiPbSnCd、SnPbBiAg、99.9In等。王延军.Bi系多芯超导带材有阻连接和加超导中间层扩散连接研究[D].北京:清华大学,2007.超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊接头搭接长度越长，接头电阻越低，接头连接效率越高，但随搭接长度的增加逐渐趋于稳定。钎焊参数如钎焊温度、保温时间应被适当控制。如适当延长保温时间，能减少孔洞等缺陷。12.2记忆合金钎焊1.钎焊特点

钎焊连接过程中，存在的主要问题为：形状记忆合金对钎焊温度和钎料成分敏感，高温下易与空气中的H、N、O等反应，导致接头脆化。钎焊过程中元素挥发或扩散引起焊缝成分改变，导致其相变温度发生变化。焊接热输入导致焊缝晶粒粗大，降低接头的力学性能和形状记忆性能。NiTi基形状记忆合金是近等原子比Ni-Ti合金的总称，主要有两种不同的相结构：高温奥氏体相（简单立方晶体结构）和低温马氏体相（单斜晶体结构）。其功能特性主要来源于马氏体相与奥氏体相之间的可逆相变，其中，超弹性主要来自应力诱发的马氏体逆相变，而形状记忆效应主要归因于其热弹性马氏体可逆相变。但这种“变形-恢复”的循环并不能无限进行下去（一般几千个循环），其中的一个重要的限制因素就是材料疲劳（fatigue），包括材料的完整性（结构疲劳）以及功能性和可逆性的变化（功能疲劳）。这导致了多个循环后，形状记忆合金可能无法恢复到最初形状超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊形状记忆合金（SMA-Shapememoryalloy）：具有自身形状的合金经过高温加热形成另外一种形状，冷却后合金保持该形状不变，当再次加热到某一固定温度值（恢复温度），又可恢复成原有自身形状的一类合金。主要包括：NiTi基、Cu基和Fe基合金。NiTi基合金兼具了高强度和高延展性，是力学性能最佳且应用最广泛的记忆合金，本节主要以NiTi基形状记忆合金为例。12.2记忆合金钎焊2.钎料一.BAg56CuZnSn（别称BAg7）系列钎料含Ni的BAg7钎料显著地提高了接头的强度，其最大抗剪强度约300MPa（常规BAg7钎料制备的接头最高抗剪强度约200MPa）。举例大气中钎焊NiTi形状记忆合金的钎料和钎剂：Ag59Cu23Zn15Sn1Ni2钎料，钎剂成分为AgCl25%，KF25%，LiCl50%(wt.%)，该钎料在NiTi形状记忆合金上具有良好的润湿性。NiTi形状记忆合金钎焊主要采用Nb基和Ag基钎料。二.AgCu钎料当搭接长度为板厚10倍，钎焊接头的强度高于母材，当搭接长度过小，NiTi与AgCu钎料之间形成的扩散层是接头最薄弱的区域。当应变小于4%时，接头通过形状记忆效应完全恢复（如右图）；当应变大于4%时，即使在触发形状记忆效应后，也会有一些不可恢复的应变。三.纯Cu及其合金钎料采用纯Cu和Ti-Cu-Ni合金作为钎料，可以采用红外激光辅助下完成NiTi合金钎焊。当使用纯Cu钎料，可以观察到由于形状记忆效应导致变形完全恢复的现象。而使用Ti-15Cu-15Ni时，钎焊时间越长，导致CuNiTi相含量降低，不利于形状记忆回复，同时Ti2(Ni,Cu)的大量形成导致钎焊接头高脆性。Ag-Cu钎料连接NiTi的接头显微组织https://doi.10.1179/174328409X405625.超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.2记忆合金钎焊3.钎焊工艺NiTi形状记忆合金的钎焊方法主要有软钎焊、炉中钎焊、红外线钎焊、电阻钎焊等。典型工艺实例炉中钎焊激光钎焊预熔敷钎料：将钎剂涂于试件的连接部位，使钎料熔化后熔敷在试件的连接部位。连接：在预置有熔敷钎料层的试样连接部位涂上钎剂，然后将两块需要连接的试件装配在一起，并加压。母材：NiTi合金与1Cr18Ni9Ti；钎料：AgCuZnSn热输入50W/10s：抗拉强度低于200MPa，断裂于界面，NiTi侧热影响区的形状记忆效应为母材的92%。60W/10s：抗拉强度320-360MPa，断裂应变8%-10%，断裂在钎缝中，NiTi侧热影响区的形状记忆效应为母材的83%。70W/20s：抗拉强度300MPa，断裂在NiTi侧热影响区，其形状记忆效应仅为母材的62%。超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.3TiAl金属间化合物钎焊钎焊特点Ti-Al系金属间化合物具有有序的晶体结构，Ti、Al原子在晶体学上保持长程有序的排列且原子之间表现出较强的极化作用，因此Ti-Al系金属间化合物在室温和高温下具有稳定物理性能和力学性能，但室温下有效滑移系少故塑性变形能力较差。Ti3Al：Al含量较低，室温塑性较高，但是在高温下强度降低、易氧化、易发生氢脆。TiAl：Al含量增加，具有优异的高温力学性能、相对较低的密度、较高的抗氧化能力，有效弥补Ti3Al在高温合金领域的劣势。Al3Ti：具有最低的密度、最高的硬度、最高的弹性模量和适中的强度，是最具发展潜力的轻质高强材料。Ti-Al系金属间化合物的物理及机械性能性能Ti3AlTiAlAl3Ti密度（g/cm3）4.1~4.73.7~3.93.4~4.0热膨胀系数/（10-6/℃）121112~15杨氏模量（GPa）110~145160~180215断裂强度（MPa）800~1140440~700120~445室温塑性（%）2~101~40.1~0.5室温断裂韧性（MPa.m1/2）13~3012~35-最大可能应用温度（℃）600~700600~700<1000氧化/燃烧抗力差差良好超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊TiAl金属间化合物钎焊时，钎料与母材极易发生反应，其关键在于生成脆性相的控制，进而提升接头性能。TiAl金属间化合物对微观组织性能非常敏感，传统钎焊连接技术由于其加热和冷却速度慢，在高温下停留时间长，很难保障接头的质量并得到高性能的接头，通常采用快速加热复合的钎焊技术。12.3TiAl金属间化合物钎焊钎料钎焊TiAl金属间化合物可以采用的钎料TiAl金属间化合物钎焊主要采用Ti基、Ag基和Al基钎料，制备得到的接头强度比较：Ti基≥Ag基>Al基。钎料种类TiAl成分（wt.%）其它材料工艺参数钎焊温度/℃保温时间/sTi-15Cu-15NiTi50Al50-1100~1200,115030~60,18~60Ti48Al2Cr2Nb-1100~120030~60Ti47Al2Cr2Nb-980~1100600Ti48Al2Cr2Nb-950480~2400Ti48Al2Cr2Nb-1040，1000600，1800Ti33.5Al1.0Nb0.5Cr0.52SiAISI4340107530CUSL-ABATi47Al2Cr2Nb-750600Ti47Al2Cr2NbAISI434084530Ti-NiTi47Al2Cr2Nb-1100~1200600Al箔Ti50Al50-900

Ti50Al50-800~90015~300BAg-8Ti50Al50-900~115015~180纯AgTi50Al50-1000~110015~180AgCu共晶Ti48Al2Cr2Nb-850~1000300~3600Ag34Cu16ZnTi48Al2Cr2Nb-850~900300~3600Zr65Al25Cu27Ti48Al2Cr2Nb-9501200Ag-Cu-TiTi47Al2Cr2Nb40Cr900600B-Ag72CuTi46.5Al5Nb42CMo8701200Ag-Cu镀NiTiAlAISI414080060Ag-Cu-TiTi48Al2Cr2NbSiC40Cr----TiAl/TiAl：TiCu15Ni15钎料（熔点932℃），在1150℃、氩气气氛下进行红外炉中钎焊，TiAl表面润湿性良好，接头无气孔，抗拉强度为295MPa。TiH2-50wt.%Ni合金粉末钎料，在1180℃和1200℃保温15min的条件下进行钎焊，接头均获得良好的钎焊缝Ti基钎料Ti3Al基合金/TiAl：Ti-13Zr-21Cu-9Ni钎料，在940-960℃下钎焊600s，室温剪切强度达113-149MPa；为提高接头强度，采用Ti-Zr-Cu-Ni-Co钎料，在1010℃获得的钎焊接头抗剪强度达到278MPa，增加了约86.6％。该钎料同时提高了接头的延展性。abTiH2-50wt.%Ni粉末合金钎料真空钎焊TiAl合金的接头显微组织(a)1180℃;(b)1200℃/10.1016/j.matchar.2008.05.010超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.3TiAl金属间化合物钎焊采用AgCu共晶钎料和Ag钎料连接TiAl金属间化合物得到的接头剪切强度分别为343MPa和383MPa。Ag基钎料纳米Si3N4颗粒增强的AgCuTi钎料：在880℃、保温时间5min条件下获得接头的平均剪切强度较商用AgCuTi提高40%。焊后接头中形成了TiN、Ti5Si3及Al4Cu9细小颗粒增强的银基复合材料焊缝，这些细颗粒化合物作为第二相粒子通过剪切滞后、位错强化以及Orowan强化等方式有效提高钎缝自身的强度。另外，TiN、Ti5Si3及Al4Cu9等相具有比银低的线膨胀系数，线膨胀系数更低的银基复合材料可在一定程度上缓解钎缝与TiAl母材线膨胀系数不匹配而产生的残余应力，同样有助于钎焊接头性能的提高。

增强的Ag基钎料钎焊工艺实例钎料：Ti-15Cu-15Ni（wt.%）工艺：红外炉中钎焊温度：1100~1200℃气氛：氩气保护研究发现Al从TiAl金属间化合物向界面区的扩散是形成界面微观组织结构的主导因素，为避免加热时间长对材料的不利影响，采用红外炉中钎焊。接头界面区：γ-TiAl，α+β双相区，高Al的α相区，α2-Ti3Al，β-Ti，残留钎料区的多层结构超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.4铝基复合材料钎焊SiC颗粒增强铝基复合材料的焊接性差，很难形成高强度的焊接接头，严重阻碍了工程化应用铝基复合材料中基体铝及其合金与SiC颗粒之间化学相容性差：需一定的温度二者才能发生反应，过度的界面反应又使界面强度降低。铝基体抗氧化能力弱：钎焊前必须先去除其表面氧化膜，并保证整个加热过程中不被氧化。要求钎焊温度尽量低，避免热循环对增强颗粒的不利影响。相同的颗粒尺寸下，SiC颗粒的体积分数越高；相同的体积分数，颗粒尺寸越小，铝基复合材料的润湿越难。基体铝合金与SiC颗粒的线膨胀系数差异大，界面附近的微区残余应力增加变形和裂纹倾向，使得接头强度降低。界面脱粘；(b)SiC颗粒断裂；(c)Al基体断裂；/10.12677/MS.2023.1312121实现该类材料可靠连接的关键：选择合适的能同时润湿SiC颗粒与铝基体合金的钎料1.钎焊特点超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊铝基复合材料中的基体为铝，增强相通常是颗粒、晶须和纤维等，增强相具有高强度、高模量、耐磨和耐高温等特性，在实际应用中采用铝基复合材料材料不仅提高了结构的使用性能，而且大大减轻了结构的质量。在铝基复合材料中，SiC颗粒增强铝基复合材料（SiCp/A1MMCs）发展尤为迅速，应用也比较广泛。本节主要以SiC颗粒增强铝基复合材料为例。Al-Si、Al-Ge和Zn-Al这几种铝合金用钎料对SiC颗粒增强铝基复合材料具有较好的润湿性。Al-Si系钎料常见的Al-Si系钎料，钎焊温度偏高（高于580℃），钎焊过程中易造成母材的热损伤，常在Al-Si共晶成分中添加降熔元素（Cu、Zn、Ge等）和Sr、La等微量变质元素。如：Al-Si-Cu、Al-Si-Zn、Al-Si-Ge、Al-Si-Sr-La等。Al-Cu-Si-Mg-Ni钎料：在560℃保温3min的工艺参数下进行钎焊，形成无气孔、夹杂、微裂纹的钎缝，其接头最高抗剪强度为102.3MPa。BAl67CuSi钎料：575℃下保温9min时接头界面如下图，钎料和母材之间存在明显的互扩散，大部分SiC颗粒都存在于共晶组织内。12.4铝基复合材料钎焊2.钎料添加中间层的复合钎料中间层：如Cu、Al-Si-Mg及Al-Si-Mg/Cu/Al-Si-Mg(简称ACA)ACA复合中间层：α-Al，Al2Cu与Si元素在525℃下发生三元共晶反应，Mg起到去除铝基体的氧化膜的作用，Cu在氧化膜与基体的界面处扩散并参与共晶反应，使氧化膜漂浮在液相，可加强去膜的作用。以BAl67CuSi作为钎料连接SiCp/Al复合材料的接头显微组织刘红霞.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊工艺与机理研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.abc3种不同中间层钎焊后的界面显微组织形貌(a)铜箔;(b)Al-Si-Mg钎料;(c)ACA钎料中间层对高体积分数SiCp/Al复合材料真空钎焊的影响[J].焊接学报,2014,35(04):49-52.超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊超声辅助钎焊保护气氛炉中钎焊：

采用BAl86SiCu+0.4wt.%MgO+0.1wt.%Bi钎料，钎剂选择50KCl-32LiCl-10NaF-8ZnCl2，在615℃/6min/3kPa的规范下氩气气氛中进行钎焊，得到的接头抗剪强度为35MPa。真空（感应）钎焊

特别是铝基体熔点较低的复合材料，采用真空感应加热，可实现钎焊过程的快速加热和冷却，防止母材过烧火焰钎焊常用钎焊工艺12.4铝基复合材料钎焊3.钎焊工艺目前存在问题：钎料在母材表面的润湿与铺展由于陶瓷增强相颗粒的存在而受到严重阻碍，接头强度不高，

接头性能对焊接温度极为敏感。超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊常用钎焊工艺有效去除母材和钎料表面的氧化膜，避免采用钎剂或者真空环境。促进液态钎料对陶瓷增强相的润湿，实现液态钎料对基体合金以及增强相的同时润湿。钎料选择更加广泛：Sn基、Zn基、Al基等。温度更低：通常高过钎料熔点5-10℃即可，这是由于超声具有强化液态钎料流动铺展的能力。超声辅助钎焊12.4铝基复合材料钎焊3.钎焊工艺超声空化效应优势：Zn-5Al钎料Zn-5Al钎料SiCZn-5Al钎料SiC超声波辅助实现液态钎料对铝基体以及陶瓷颗粒同时润湿的过程a）超声作用1s的润湿界面b）钎料与陶瓷颗粒存在间隙c）超声作用3s的润湿界面d）钎料与陶瓷颗粒紧密结合张洋.超声波作用下SiC与Zn-Al连接界面行为及焊缝强化机理[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.4铝基复合材料钎焊3.钎焊工艺钎料的添加方式：预涂覆到待焊表面，或毛细填缝。超声振幅：5-20

μm超声作用时间：视焊接面积的大小而定，通常情况仅数秒。超声波作用时间20s时不同钎焊温度下55%SiCp/A356复合材料钎接接头的显微组织和剪切强度：a)420ºCb)450ºCc)475ºCd)500ºC/10.1016/S1003-6326(09)60208-9钎料为300μm厚的Zn-Al钎料，随着温度的增加，焊缝的宽度增加，焊缝中颗粒的含量也随之增加。温度是影响母材最大溶解层宽度的决定性因素，因此可以通过控制升温温度来控制复合焊缝中增强相颗粒的体积分数。钎焊接头的剪切强度随着钎焊温度升高而增加，当钎焊温度达475ºC时，接头剪切强度达到最大值244MPa。常用钎焊工艺超声辅助钎焊超导材料钎焊形状记忆合金钎焊TiAl金属间化合物钎焊Al基复合材料钎焊12.5本章小结围绕超导材料的钎焊，为获得超导材料的有效连接，确保连接接头组织与母材类似或超导电性与母材接近，以及服役温度下接头电阻尽可能小，低温超导材料选择软钎焊，而高温超导材料选择硬钎焊。钎焊技术可以用烙铁、电阻、超声波、保护气氛下钎焊等方法。针对形状记忆合金的钎焊过程中对连接温度和钎料成分敏感的问题，钎料通常采用Nb基和Ag基合金，钎焊方法主要有炉中钎焊、红外线钎焊、电阻钎焊等。对于TiAl金属间化合物的钎焊，钎料与母材极易发生反应，其关键在于生成脆性相的控制。TiAl金属间化合物对组织性能非常敏感，用传统钎焊技术由于其加热和冷却速度慢，高温停留时间长，难以保障接头的质量并得到高性能的接头，通常采用快速加热复合的钎焊技术。TiAl金属间化合物钎焊主要采用Ti基、Ag基和Al钎料12.5本章小结对于颗粒增强铝基复合材料的钎焊，去除母材表面的氧化膜和实现钎料对待焊表面陶瓷颗粒的润湿，对提高接头质量都非常重要。常规的钎焊方法，如保护气氛炉中钎焊、真空钎焊和火焰钎焊等，通过优化钎焊参数可获得一定强度的接头，但钎焊增强颗粒体积分数较高的母材难度较大。超声波辅助钎焊可有效去除金属材料表面的氧化膜，避免钎剂或者真空环境的使用，并可实现钎料对陶瓷颗粒的同时润湿，在铝基复合材料钎焊方面具有明显的优势。思考题Nb-Ti合金超导材料钎焊有何特点？NiTi形状记忆合金的钎焊目前主要哪几类钎料？Ti-Al系金属间化合物主要包括哪几类？TiAl合金钎焊中存在的主要难点有哪些？为何当体积分数高于35%后，碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊连接接头强度降低？在超声波辅助钎焊中，铝基复合材料表面的氧化膜破除机制什么？本章学习内容要点1.超导材料钎焊2.形状记忆合金钎焊3.TiAl金属间化合物钎焊4.Al基复合材料钎焊钎焊SolderingandBrazing第13章

电子制造中的钎焊制作者：制作：第13章

电子制造中的钎焊本章主要内容：13.1电子制造中的钎焊材料13.2电子制造的钎焊方法13.3本章小结1950s手工焊接1960sDIP封装波峰焊1980sSMT技术回流焊1990sBGA/FC面阵封装2000s+3D/FO系统级芯片1970s集成电路PGA前言：从晶体管到系统级芯片,钎焊技术伴随微型化迭代演进自1947年晶体管诞生，电子器件持续向微型化、高密度、多功能演进，驱动封装形式与软钎焊技术同步升级。从手工焊接到波峰焊、再流焊，再到倒装焊，每一阶段的技术突破都直接回应I/O数量激增与尺寸压缩的矛盾晶圆级封装板级组装整机组装要求低温低应力，保护精细结构追求高产量与细间距，挑战印刷精度强调长期可靠性，关乎产品寿命钎焊贯穿晶圆级封装、板级组装到整机组装，不同层级的热-力-电约束差异显著，但“低温、多功能、高可靠”三大共性需求始终不变13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结1锡铅钎料Pb-Sn二元相图Sn61.9Pb38.1共晶温度183℃低温软钎料的成分选择通常在共晶点，SnPb钎料的代表即Sn63Pb37，其共晶点温度低，合金固液相线的温差小，是工艺性与服役性的完美平衡低熔点(183℃):降低工艺温度与热应力，对基板耐温要求低；卓越润湿性:Pb元素降低界面能，润湿角仅11°，流动性极佳；优异塑性:室温再结晶有效释放热应力，保障长期可靠性。尽管性能优异，但铅毒性带来的环保法规冲击，使其在消费电子中被禁用，成为无铅化的直接驱动力Sn20Pb80Sn63Pb37液相线温度280℃固相线温度183℃接头的服役温度由固相线决定，二者软钎焊接头的服役温度是一样的钎焊的工艺温度由液相线决定，Sn20Pb80的工艺温度显著高于Sn63Pb30而Sn20Pb80固液相线的温差大，钎料的流动性会较差，成形效果不佳13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结2无铅钎料名称成分固相线/℃液相线/℃说明InSnInSn52.0In/48.0Sn118(共晶)实际熔点最低的焊料BiSn58.0Bi/42.0Sn138(共晶)抗热疲劳的性能好,历史悠久BiSnAg57.0Bi/42.0Sn/1.0Ag139140由于添加了银，这种合金的脆性低于铋锡(BiSn)Indalloy®22777.2Sn/20.0In/2.8Ag175187铟锡(SnIn)是118℃共晶合金，不能用于温度高于100℃的环境Indalloy®25486.9Sn/10In/3.1Ag204205没有铟锡(SnIn)共晶的问题；可用于倒装芯片组装SnBiAg91.8Sn/4.8Bi/3.4Aq211213基板和元件必须无铅金属化SAC40595.5Sn/4.0Ag/0.5Cu217225当要求使用热可靠性高于含银较少的SAC合金时的最佳解决方案SAC38795.5Sn/3.8Ag/0.7Cu217219iNEMI最早推荐的SAC合金SAC30596.6Sn/3.0Ag/0.5Cu217220焊锡产品评价会推荐的SAC合金SAC10598.5Sn/1.0Ag/0.5Cu217225低成本合金，可靠性相当好SACm™98.5Sn/0.5Ag/1.0Cu+Mn217225跌落试验性能和锡铅合金一样好SAC030799.0Sn/0.3Ag/0.7Cu217227低成本的SAC合金SnCu99.3Sn/0.7Cu227(共晶)成本低；可能适用于波峰焊Sn99299.2Sn/0.5Cu+Bi+Co227高性能低成本的焊料合金"J"alloy65.0Sn/25.0Ag/10.0Sb223(共晶)芯片黏着(Die-attach)合金，非常脆Indalloy®13395.0Sn/5.0Sb235240高温无铅合金Indalloy®25990.0Sn/10.0Sb250272高温无铅合金SnAg：Ag元素可以显著提高接头的蠕变特性、强度和疲劳性能SnZn：共晶温度低，但Zn元素的耐蚀性低，容易氧化SnBi：共晶温度139℃，抗拉强度较高，但其硬脆性，塑性变形能力差铅中毒引发健康问题，无铅钎料成为主流SnPbAu基：熔点高、抗拉强度高、导电导热能力优良，但成本较高典型Indalloy的物理性质Au80Au20Sn88Au12Ge96.8Au3.2Si固相线(℃)1064280356363液相线(℃)1064280356363导热率(W/mK)318574427拉伸强度(PSI)20,00040,00026,83536,975剪切强度(PSI)20,00040,00026,82531,90020℃的热膨胀系数(PPM/℃)1416131213.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结3软钎剂及焊膏钎剂承担去氧化、润湿铺展、高温保护三重任务，原理主要有酸碱反应和氧化-还原反应树脂提供活性、粘性，防止氧化松香最常用提高活性，清除氧化物如羧酸、有机卤盐溶解固体成分，调节粘度醇类最主流流变剂提供粘度，增强触变性溶剂活化剂焊膏是由钎剂与钎料以及少量添加剂组成的寿命管理工作寿命12-24h，储存寿命(2-5℃)3-6个月熔点常用的熔点在180℃-250℃活性可分为无活性（R）、中等活性(RMA)和活性(RA)三个等级粘度粘度范围很大（100~600Pa·s），最高有1000Pa·s以上，焊膏属触变流体，印刷时受剪切变稀，脱模后恢复高粘度以维持图形。触变指数越高，坍塌度越小13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结4纳米连接材料利用纳米尺度材料的高表面能降低连接温度的纳米尺寸效应，本质是在250℃下通过固态扩散形成连接，而非非传统熔化凝固过程，其接头耐温超越传统软钎焊接头纳米连接材料已在功率芯片贴装领域量产应用纳米AgCu颗粒TEMAgCu/C纳米多层膜单层高亮度明场显微照片13.1电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结1电子组装技术中的回流焊电子组装技术指的是，根据成熟的电路原理图，将各种电子元件、电子器件、机电元件、机电器件以及基板合理地设计、互连、安装、调试，使其成为适用的、可生产的电子产品(小到集成电路，