CN105014175A - 一种铝合金表面局部软钎料镀层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气环境中，低温条件下在金表面局部软钎料镀层的制备方法。它利用超声声化学的作用，低温条件下在大气环境中实现铝或铝合金表面局部软钎料镀层的制备。该发明弥补了铝及其合金表面软钎料润湿镀层制备难的缺点。相对于电镀等其他镀层工艺而言，本发明工艺简单，造价低廉，无污染，局部镀层在可在极短的时间形成。

Description

一种铝合金表面局部软钎料镀层制备方法

技术领域

本发明属材料技术领域，特别涉及一种铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法。

背景技术

铝合金具有比重小、导热好、性价比高等优点。在电子工业中主要起机械支撑、电信号传送、散热、电磁场屏蔽、电路保护等作用，近年来由于铜价格的持续上涨，部分铜构件逐渐被铝合金所替代。从电子产品的制造角度来讲，要求铝合金必须有良好的可焊性。电子封装常使用的软钎焊钎料很难在铝合金上润湿铺展，故电子制造业中通过在铝合金表面电镀锡的工艺改善铝合金构件的可焊性。铝合金的电镀锡工艺较为成熟,已广泛应用于电子制造等行业中。电镀锡主要有以下几个主要步骤：化学除油—清洗—酸蚀活化—清洗—浸镍—清洗—预镀铜—清洗—镀锡。相比之下，在铝及铝合金上电镀要比在钢铁及铜等金属上电镀要困难的多，其主要原因有以下几个方面：

1、铝是一种比较活泼的金属，对氧具有很大的亲和力，极易形成天然氧化膜，氧化膜的存在使其与镀层的结合力降低。

2、铝的电极电势较低浸入电镀液时能与多种金属离子进行置换反应，,在铝表面生成接触镀层，使电镀层与基体的结合强度降低。

3、铝是两性金属，能溶于酸与碱，在酸性或碱性金属电镀液中都不稳定。

4、铝合金铸件有砂眼、气孔，会残留镀液和氢气，容易鼓泡，也会降低镀层与基体的结合力。

另一方面，在电子制造业中，铝合金用于机械支撑的同时需要与一些电路、电子元器件进行互联。由于具有机械支撑的作用，铝合金构件的面积较大，而需要与其他器件互联的面积在整个铝合金构件上只占非常小的比例。电镀工艺需要将整个铝构件全部进行电镀，增加了电子制造成本也造成能源与原料的浪费并对环境产生不必要的污染。到目前为止，仍然没有一种可行的镀锡工艺可以在铝合金表面高效、低成本、无污染的实现局部镀锡或软钎料。

发明内容

鉴于现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种铝或铝合金材料的表面局部软钎料镀层的制备方法。本方法可在大气环境中在铝合金表面直接形成任意面积的锡镀层或软钎料镀层并且不损伤合金表面形貌。

本发明提供的一种大气环境下的铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，包括，利用超声声化学作用，在大气环境下，在铝合金表面形成任意面积的局部软钎料镀层。

所述方法先使用市售铝合金油污清洗剂对铝合金表面需要镀层的位置进行擦拭以达到局部除油去污效果。该方法不用对铝合金表面全部清洗、酸蚀以及去除机械纹，只对需要软钎料镀层的区域进行局部除油去污即可，可降低生产成本和使用清洗剂造成的环境污染问题。

所用超声波焊头为钛基合金或陶瓷，焊头可分为两类：(1)焊头下表面形状、面积和需要制备的镀层的形状、面积相同。此类型焊头适用于制备小面积镀层(镀层面积小于0.01m2)(2)焊头下表面为正方形或长方形，边缘有倒角，面积根据镀层面积而定。此类型焊头适用于制备大面积镀层，倒角的设计有利于钎料在焊头移动的过程中填充到焊头和铝合金表面。两类焊头的厚度根据超声发生器和变幅杆的特性而定，最终要求焊头的振幅为：5～20μm。

所述方法进一步优选以下步骤实现：

(一)、将铝合金表面需要镀层的部位去污清理后，在表面铺放200μm-1mm软钎料，并加热至软钎料融化。优选将软钎料加热至超过液相线10～50℃。

(二)、将超声波焊头置于熔融软钎料上，与铝合金表面保持5～500μm的距离。优选为将与超声波焊头相连的钛基合金或陶瓷等难与软钎料反应的超声波传导介质与铝合金表面间隙为5～200μm，加热至200～300℃；超声传导介质可以平行的在铝合金表面移动。

(三)、施加超声波。优选超声波频率为15～100kHz、振幅为1～20μm的纵向或横向超声波，超声处理3～20s或以0～5m/min的速度移动超声传导介质以覆盖整个需要镀层的区域。然后空冷至室温，即可得到铝或铝合金表面局部镀锡或锡基软钎料。当工艺参数不在此范围时，例如超声波施加时间为2S，镀层制备效果变差，铝合金表面不能形成完整镀层。

所述软钎料为纯锡或锡基钎料，锡基软钎料按重量百分比由：Sn：10～100％；Pb：0～37％；Ag：0～5％；Cu：0～5％；Zn：0～9％；Bi：0～57％；Al：0～14％组成。

所述软钎料优选为箔状、球状或块状。

所述方法进一步优选方案为，在超声处理后使用热风整平设备去除多余钎料。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

本发明中镀层在大气环境下制备，无需进行氧化膜去除工艺，同时避免了因铝氧化膜去除不彻底而产生的缺陷。钛基合金或陶瓷等超声波传导介质难与锡基软钎料发生反应，不影响镀层的成分、清洗方便可反复使用。本发明利用超声声化学的作用和空间结构对超声波传导、对液态金属的作用，在不使用钎剂的情况下在铝合金表面局部快速的形成锡或软钎料镀层。镀层制备过程简单，易于实现自动化、大幅减小生产周期；节能环保的同时大幅降低生产成本。

附图说明

图1为具体实施方式一铝合金表面局部镀层制备过程示意图。

图2为具体实施方式二铝合金表面局部镀层制备过程示意图。

图3为具体实施方式七铝合金表面局部镀层制备过程示意图。

图4为具体实施方式八铝合金表面局部镀层制备过程示意图。

图5为锡镀层和铝合金界面EDS(Energy Dispersive Spectroscopy能谱仪)线扫描结果，通过线扫描结果可知，锡与铝合金形成互扩散。

其中，1为变幅杆(超声波焊头)；2为与变幅杆相连的钛基合金或陶瓷等不与软钎料发生反应的超声波传导介质，传导介质下端带有倒角以促进软钎料填缝，传导介质可连同变幅杆一起以一定的速度平行移动；3为锡球或软钎料球；4为铝合金。 

具体实施方式

为了解释本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于此。

具体实施方式一：

如图1所示，本实施方式铝或铝合金的局部镀层按以下步骤实现：一、将铝合金需要镀层的部位去污清理后在表面铺放面积为15×15mm、厚度为300μm的锡箔。二、将与超声波焊头相连的钛基合金超声波传导介质(下表面积为20×20mm)置于锡箔上并加热至250℃。三、施加频率为30kHz、振幅为5μm的纵向超声波，超声处理15s后移除超声波传导介质，使用热风整平设备去除多余的锡并将铝合金置于空气中冷却至室温。

对镀层进行宏观检查，镀层表面整洁无空穴。通过EDS线扫描可知锡与铝合金形成良好的冶金结合，如图5所示。

具体实施方式二：

如图2所示，本实施方式铝或铝合金的局部镀层按以下步骤实现：一、将铝合金需要镀层的部位去污清理后在表面铺放面积为25×25mm、厚度为300μm的锡箔。二、将与超声波焊头相连的陶瓷超声波传导介质(下表面积为10×10mm)置于锡箔上并加热至250℃。三、施加频率为30kHz、振幅为5μm的纵向超声波，超声波超声处理10s后以0.05m/min的速度平行移动超声装置，使陶瓷介质以缓慢的速度覆盖整个待镀区域，并在最终位置停留10s。移除超声波传导介质，使用热风整平设备去除多余的锡并将铝合金置于空气中冷却至室温。

具体实施方式三：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，施加频率为20kHz、振幅为10μm的纵向超声波，超声处理8s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，使用Sn-3Ag-0.7Cu钎料代替锡，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，使用Sn-9Zn钎料代替锡，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：

本实施方式与具体实施方式二不同的是，使用Sn-3Ag-0.7Cu钎料代替锡。施加频率为20kHz、振幅为10μm的纵向超声波，超声装置移动速度为0.01m/min。 其它步骤与参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式七：

如图3所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是，使用锡球或锡快代替代替锡箔，利用超声填缝的作用达到锡在铝合金表面润湿的目的。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：

如图4所示，本实施方式与具体实施方式二不同的是，使用锡球或锡快代替代替锡箔，利用超声填缝的作用达到锡在铝合金表面的润湿。其它步骤与参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式九：

本实施方式与具体实施方式七不同的是，施加频率为35kHz、振幅为5μm的横向超声波，超声波传导介质与铝合金表面间隙为30μm。其它步骤与参数与具体实施方式七相同。 

具体实施方式十：

本实施方式与具体实施方式八不同的是，施加频率为35kHz、振幅为5μm的横向超声波，超声波传导介质与铝合金表面间隙为30μm。其它步骤与参数与具体实施方式八相同。 

对比实施方式十一：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，将锡箔加热至235℃后施加超声波，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。镀层效果：由于焊头与钎料存在温度差，焊头接触钎料后钎料迅速凝固，铝合金表面不能形成镀层。

对比实施方式十二：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，将超声波焊头置于靠近熔融钎料附近的铝合金表面上，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。镀层效果：由于超声波在金属中存在强烈的衰减作用，与焊头距离小于15mm的范围内形成镀层，超出15mm距离范围则不能形成镀层。

对比实施方式十三：

本实施方式与具体实施方式一不同的是，超声波施加时间为50S，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。镀层效果：由于长时间施加超声波，钎料表面严重氧化，镀层破坏。

对比实施方式十四：

本实施方式与具体实施方式二不同的是，超声波振幅为30μm，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。镀层效果：由于超声波振幅太大，造成钎料无法填充到超声波焊头与铝合金表面之间，无法形成连续完整的镀层

通过EDS线扫描可知具体实施方式二至十如实施方式一，软钎料与铝合金 形成良好的冶金结合。

效果总结，通过上述实施例和对比实施例可见，本发明优选方案明显优于对比实施例，可在短时间内形成连续的、完整的镀层结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大气环境下的铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，利用超声声化学作用，在大气环境下，在铝合金表面形成任意面积的局部软钎料镀层。

2.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，先对铝合金表面需要镀层的部位进行处理，除油去污。

3.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤实现：

(一)、将铝合金表面需要镀层的部位去污清理后，在表面铺放100μm-1mm软钎料，并加热至软钎料融化；

(二)、将超声波焊头置于铝合金表面液态钎料上，与铝合金表面保持5～50μm的距离，即钎料厚度保持5～50μm；

(三)、施加超声波。

4.根据权利要求3所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，所述步骤(一)为将软钎料加热至超过液相线20～30℃。

5.根据权利要求3所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，所述步骤(二)为将与超声波焊头相连的钛基合金或陶瓷等难与软钎料反应的超声波传导介质与铝合金表面间隙为5～50μm，加热至200～300℃；超声传导介质可以平行的在铝合金表面移动。

6.根据权利要求3所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，所述步骤(三)超声波频率为15～100kHz、振幅为1～20μm的纵向或横向超声波，超声处理3～20s或以0～5m/min的速度移动超声传导介质以覆盖整个需要镀层的区域。

7.根据权利要求3所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，所述超声波焊头为钛基合金或陶瓷，软钎料为箔状、球状或块状。

8.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，所述软钎料为纯锡或锡基钎料，锡基软钎料按重量百分比由：Sn：10～100％；Pb：0～37％；Ag：0～5％；Cu：0～5％；Zn：0～9％；Bi：0～57％；Al：0～14％组成。

9.根据权利要求1所述的大气环境下铝合金表面局部软钎料镀层的制备方法，其特征在于，超声处理后使用热风整平设备去除多余钎料。

10.一种含有局部软钎料镀层的铝合金，其特征在于，所述铝合金通过权利要求1—9任一权利要求所述的方法制备得到。