CN104708233A - 一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其组分及质量百分含量为：活化剂：38.0～42.0％，金属活性盐：5.0～8.0％，活性增强剂：12.0～15.0％，缓蚀抑制剂：2.0～5.0％，成膜剂：16.0～20.0％，溶剂：10.0～27.0％。本发明是一种专门针对铜铝软钎焊用免洗助焊剂，配合Sn-Zn系焊料使用可解决现有铜铝助焊剂使用过程中存在的润湿性、耐腐蚀性能较差的问题，并在一定程度上抑制铜铝软钎焊过程中在接头区易形成的脆性Al-CuAl2共晶相生成。

Description

一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及钎焊材料领域，特别涉及一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂。
背景技术
铜及其合金具有优良的导电、导热、耐腐蚀和良好的加工成形性能，在电力、化工、制冷、交通运输和航空航天等领域广泛应用。但铜为稀缺金属，属于战略资源，随着铜的资源性短缺，铜的价格日益上涨，给相关企业带来巨大的成本压力。铝及其合金导热性能优良、比重轻、价格低，在工业生产中应用范围越来越广泛，且用铝代替铜是目前国内外的主要发展趋势，目前在很多应用场合相关企业已经开始使用铝代替铜来降低生产成本。
铝代替铜的关键是如何实现铜铝异种金属的可靠性连接，目前一般采用焊接的方法来实现铜铝异种金属的连接，从工艺的角度可以分为熔化焊、压力焊、钎焊。由于铜铝的熔点相差较大，直接反应时会生成多种金属间化合物，影响焊接接头的强度和塑性，应尽量避免采用熔化焊。而采用压力焊时，通常需要专门的设备，焊接时还要预制铜铝接头，存在较大的局限性。钎焊是在母材金属不熔化的前提下，依靠钎料熔化后的填隙作用，与母材金属之间发生溶解、扩散等冶金作用的金属焊接方法。在工业各部门异种材料的连接上钎焊方法已经有了广泛的应用，如在轻工行业中的铝/不锈钢、铜/不锈钢的钎焊；在电子、机械等行业中的金属基复合材料、陶瓷/金属的钎焊；在汽车行业中的铝/碳钢激光钎焊；在刀具行业中的硬质合金、聚金刚石/碳钢的钎焊等等。综合来看钎焊最有可能实现铜铝异种金属间的可靠性连接，但目前铜铝的钎焊还存在较多的问题，如在钎焊过程中需使用腐蚀性较强的钎剂去除铝表面的氧化膜，使得焊后钎剂的残渣易吸潮形成电解液，对接头形成较强的腐蚀；另外，由于铝、铜原子扩散较快，容易在接头区形成易熔的脆性Al-CuAl2共晶，导致接头强度降低。因此，很有必要开展铜铝钎焊材料的研制工作，改善此类材料在使用过程中的缺陷，对实现工业上铝代替铜有着极为重要的意义。
在电子产品实施无铅化之前，作为主流焊料的Sn-37Pb合金基本能满足铜铝软钎焊的需求。而目前被广泛推荐使用的无铅软钎料如Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu合金只能与铜母材形成良好的润湿结合，与Al之间的互溶度较小，均不能满足铜铝异种金属的钎焊。基于Sn-Zn钎料能与铝形成特殊的结合强度，且Sn、Zn都属于塑韧性组元，使得Sn-Zn合金的机械性能(包括抗拉强度、抗疲劳与抗蠕变性能)优于Sn-Pb共晶合金，其延展性也与其他无铅焊料相当，使得Sn-Zn系合金成为最有可能适用于铜铝软钎焊的无铅钎料。但目前Sn-Zn焊料尚存在润湿性、耐蚀性差的缺点，配套助焊剂也存在焊后腐蚀性强的问题，限制其在铜铝异种金属软钎焊领域的应用。在焊料研究方面无法根本解决铜铝钎焊问题的情况下，可考虑从助焊剂方面着手。
目前，从助焊剂着手改善铜铝焊接接头综合性能的专利文献资料还较少。如公开号为CN 103769776 A中国发明专利申请提供一种适用于铜铝异种金属用氟化物钎剂及其制备方法，主要由氟化铯、三氟化铝、氟化钾、二氟化铜和助剂组成，具有良好的钎焊性能。但此助焊剂使用时需配合Zn-15Al钎料，熔点仍较高(达450℃左右)。此外，因钎剂含有较多的氟化物，焊后对铜铝接头会产生腐蚀作用。中国专利(公开号CN 102922178 A)公开一种免清洗液体铝助焊剂及其制备方法，此助焊剂由氟化羟胺、金属活性盐、活性剂、缓蚀剂及溶剂组成，其可焊性好，焊接效率高，且焊后残留极少，焊点无需清洗，对接头腐蚀性小，但此专利仅适用于铝的软钎焊，未涉及铜铝异种金属软钎焊。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，专门针对铜铝软钎焊，配合Sn-Zn系焊料使用的无腐蚀免清洗助焊剂，解决现有助焊剂在配合Sn-Zn系焊料使用过程中存在的润湿性、耐腐蚀性能较差的问题，并在一定程度上抑制铜铝软钎焊过程中在接头区脆性Al-CuAl2共晶的生成。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是，
一种铜铝软钎焊用免洗助焊剂组分及质量百分含量为：
配制方法：称取上述各组分原料，常温下将溶剂添加至带搅拌器的反应釜中，搅拌后加入成膜剂，待溶解后依次加入活化剂、金属活性盐、活性增强剂、缓蚀抑制剂。继续搅拌至全部溶解，混合均匀后停止搅拌，静置过滤即得本发明的免洗助焊剂。
其中所述的活化剂为质量比为2:1～4:1二乙醇胺与吡啶硼酸的混合物。针对铝表面氧化物难以去除，且在升温过程中易再次形成致密氧化膜的特点，混合不同温度下作用的活化剂。二乙醇胺在焊接常温区即可对铜和铝表面氧化物进行清除，在焊接升温阶段吡啶硼酸逐渐释放活性物质进一步去除表面氧化物，促进熔融Sn-Zn钎料润湿。
所述的金属活性盐为质量比1:4～1:9的乙酸锌与乙酸锡，此类有机金属盐在焊接过程中分解形成金属离子及乙酸根离子，其中沉积形成的Sn,Zn为复合界面活性剂，可促进Sn-Zn钎料在铝接头润湿铺展。而分解的乙酸根会进一步与铜表面氧化膜反应，起到去膜润湿的效果。
所述的活性增强剂为三乙醇胺硼酸酯。与传统的具有腐蚀性的氟化物活性增强剂不同，此类化合物在常温下并无活性，不会对铜铝接头产生腐蚀性。仅在焊接升温过程中逐渐分解，在熔化焊料及铜铝接头之间原位释放出活性物质，达到增强助焊剂活性的作用。
所述的缓蚀抑制剂为吡啶或4,4联吡啶中的一种或多种的混合物。此类化合物含有吡啶氮官能团，在焊接过程中吡啶氮易与铜、铝反应形成络合物膜，减缓铜、铝原子扩散速度，在一定程度上抑制Al-CuAl2共晶相生成及缓解焊后助焊剂残余物对接头的腐蚀。
所述的成膜剂为聚合松香或氢化松香的一种或两种混合物。基于这些改性松香化合物具有一定的粘度，在焊接过程中能有效防止飞溅，且焊后在焊接接头处形成均匀的保护膜，保证接头在不清洗状态下的有效防护。
所述的溶剂为异丙醇或乙醇中的一种或两种混合物。
本发明提供的适用于铜铝软钎焊用的免洗助焊剂具有以下有益效果：由于本发明的活化剂采用二乙醇胺与吡啶硼酸，以及采用乙酸锌与乙酸锡金属活性盐能有效改善铜铝软钎焊过程中的润湿性；且采用的三乙醇胺硼酸酯活性增强剂常温下不会对铜铝接头产生腐蚀，提高Sn-Zn焊料的耐腐蚀性能；助焊剂中的缓蚀抑制剂为吡啶或4,4联吡啶中的一种或多种的混合物，能有效减缓铜铝原子扩散速度，在一定程度上抑制易溶脆性Al-CuAl2共晶相生成。
具体实施方式
下述实施例中均采用以下方法配制：称取上述各组分原料，常温常压下将溶剂添加至带搅拌器的反应釜中，搅拌至充分溶解后加入成膜剂，待溶解后依次加入活化剂、金属活性盐、活性增强剂、缓蚀抑制剂。继续搅拌至全部溶解，混合均匀后停止搅拌，静置过滤即得本发明的免洗助焊剂。分别对助焊剂进行润湿力、剪切强度、耐蚀性测试，按照IPC J-STD-004A标准进行润湿力测试，剪切强度、耐蚀性测试分别按照国标GB 11363-89钎焊接头强度试验方法及GB6458-86金属覆盖层中性盐雾试验方法进行。
实施例1
一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其组分及质量百分含量如下：二乙醇胺28.0％，吡啶硼酸14.0％，乙酸锌1.0％，乙酸锡7.0％，三乙醇胺硼酸酯15.0％，吡啶5.0％，聚合松香20.0％，余量为异丙醇。所得助焊剂润湿力为3.68mN，铜铝搭接接头剪切强度25.4MPa，搭接接头经480h盐雾腐蚀后外观无变化，且保持盐雾腐蚀前的剪切强度。
实施例2
一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其组分及质量百分含量如下：二乙醇胺30.0％，吡啶硼酸10.0％，乙酸锌1.0％，乙酸锡4.0％，三乙醇胺硼酸酯13.0％，4,4联吡啶2.0％，氢化松香16.0％，余量为异丙醇。所得助焊剂润湿力为3.42mN，铜铝搭接接头剪切强度22.1MPa，搭接接头经480h盐雾腐蚀后外观无变化，且保持盐雾腐蚀前的剪切强度。
实施例3
一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其组分及质量百分含量如下：二乙醇胺26.0％，吡啶硼酸12.0％，乙酸锌1.5％，乙酸锡6.0％，三乙醇胺硼酸酯12.0％，吡啶4.0％，聚合松香12％，氢化松香8％，余量为乙醇。所得助焊剂润湿力为3.31mN，铜铝搭接接头剪切强度20.8MPa，搭接接头经720h盐雾腐蚀后外观无变化，且保持盐雾腐蚀前的剪切强度。
实施例4
一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其组分及质量百分含量如下：二乙醇胺26.0％，吡啶硼酸12.0％，乙酸锌1.0％，乙酸锡4.0％，三乙醇胺硼酸酯12.0％，吡啶2.0％，聚合松香10％，氢化松香6％，余量为乙醇。所得助焊剂润湿力为3.06mN，铜铝搭接接头剪切强度17.9MPa，搭接接头经240h盐雾腐蚀后外观无变化，且保持盐雾腐蚀前的剪切强度。
分别对助焊剂进行润湿力、剪切强度、耐蚀性测试，按照IPC J-STD-004A标准进行润湿力测试，剪切强度、耐蚀性测试分别按照国标GB 11363-89钎焊接头强度试验方法及GB6458-86金属覆盖层中性盐雾试验方法进行。列表如下：

Claims (7)

1.一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是，其组分及质量百分比含量为：
2.根据权利要求1所述的适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是所述的活化剂为质量比为2:1～4:1二乙醇胺与吡啶硼酸的混合物。
3.根据权利要求1所述的适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是所述的金属活性盐为质量比1:4～1:9的乙酸锌与乙酸锡。
4.根据权利要求1所述的适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是所述的活性增强剂为三乙醇胺硼酸酯。
5.根据权利要求1所述的适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是所述的缓蚀抑制剂为吡啶或4,4联吡啶中的一种或多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂，其特征是所述的成膜剂为聚合松香或氢化松香中的一种或两种混合物。
7.一种适用于铜铝软钎焊用免洗助焊剂的制备方法，包括如下步骤：常温、常压下将溶剂添加至反应釜中，搅拌后加入成膜剂，待溶解后依次加入活化剂、金属活性盐、活性增强剂、缓蚀抑制剂；继续搅拌至全部溶解，混合均匀后停止搅拌，静置过滤即得免洗助焊剂；所述各步骤的时间均以搅拌充分溶解即可。
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