CN105643040A - 一种铝及其合金的钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种铝及其合金的钎焊方法。本发明通过使用超声波金属焊接工艺，可以在不使用钎剂情况下环保、快速地去除铝及其合金表面的氧化膜；通过焊接前在铝及其合金表面预置一层金属银或铜并选用含有金属锡的软钎料，不但可以实现低温软钎焊，而且可以在钎料与铝及其合金结合界面形成连续金属间化合物层，避免锡与铝电偶形成，从而彻底解决含有金属锡的软钎料焊接铝及其合金的焊点抗电化学腐蚀性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种钎焊技术领域，特别涉及一种铝及其合金的钎焊方法。
背景技术
以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。
与铜相比，铝及其合金的热导率和电导率接近，其密度却仅为铜的1/3、材料成本也只有铜的20％-30％，因其以上优点，出于减轻重量，提高效率，增强机动性和降低能耗等原因，在现代航天、航空、军事和汽车等工业生产领域中都竭尽可能使用铝及其合金替代铜。铝及其合金能否在更广泛的领域(如通信、家电、消费电子产品等)替代铜，关键技术在于能否如铜软钎焊一样在较低焊接温度即可实现批量、稳定和高可靠的钎焊连接焊点。
与铜的软钎焊相比，铝及其合金软钎焊技术主要存在以下2个技术难点需要解决：
1.铝及其合金表面氧化膜致密难于去除
与铜一样，若要实现铝及其合金的润湿和焊接，必须首先去除其表面氧化膜。与铜氧化膜(Cu2O和CuO)相比，铝及其合金表面氧化膜(Al2O3)极为致密，这层氧化膜不但能在一般大气环境稳定存在，也可以在pH值为4-8.5之间的环境稳定存在。对于电子行业常用的软钎剂，一般都为共价键的弱酸，无法去除铝其合金表面的氧化物，而如果使用由重金属的氟硼酸盐(如氟硼酸锌、氟硼酸铵)和胺类有机载体等组成的活性更强的钎剂，不但对铝硅、铝镁等难焊铝合金润湿和焊接效果不佳，而且焊后钎剂残留物腐蚀性强且极易吸水，因此，必须增加清洗工艺，这无疑将增加焊接工艺成本。
2.铝及其合金软钎焊接头抗电化学腐蚀性能差
纯铝的熔点为660.4℃，使用铝基钎料(如铝-硅和铝-铜等)虽然不存在焊接接头抗电化学腐蚀性差的问题，但铝基钎料的熔化和焊接温度过高，无法实现铝及其合金低温连接，不适用于大部分电子产品。而若想实现铝及其合金低温软钎焊，必须选用非铝基钎料(如常用的锡-锌，锌-铝等钎料)，但由于铝本身电极电位明显低于其他常见金属，这些钎料的主体组成成分(如锡、锌等)与铝母材合金化后将在焊点结合界面构成电偶，在电解质溶液或潮湿空气中，焊接接头位置将因发生电化学反应而在短期内迅速腐蚀开裂失效，导致铝及其合金软钎焊接头的长期可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种铝及其合金的钎焊方法，不仅能够快速去除率及其合金表面的氧化膜，还能避免铝及其合金与钎料中的锡形成电偶，提高焊接接头抗电化学腐蚀性能。
根据本发明的一些实施例，铝及其合金的钎焊方法包括：
S11、在铝及其合金的表面预置一层金属层，所述金属层为金属银层或金属铜层；
S12、对铝及其合金和所述金属层进行超声波金属焊接，去除铝及其合金表面的氧化膜，实现预制金属层与铝及其合金紧密结合；
S13、在所述金属层表面施加含锡软钎料，然后进行软钎焊。
根据本发明的另一些实施例，铝及其合金的钎焊方法包括：
S21、在铝及其合金的表面预置一层金属层，所述金属层为金属银层或金属铜层；
S22、在所述金属层表面施加含锡软钎料，并对所述含锡软钎料进行加热；
S23、当所述含锡软钎料熔融时，对所述含锡软钎料进行超声波金属焊接。
优选地，预置金属层的方法为：
先使用模板印刷或针筒点涂的方式在铝及其合金表面预置一层由金属银粉末或金属铜粉末和有机物混合组成的膏状材料，再通过加热的方式使所述膏状材料中的有机物完全挥发、金属粉末之间烧结成合适厚度的金属层；或者，
先对铝及其合金表面喷砂，再通过热喷涂工艺预置一层金属层；或者，
在铝及其合金表面预置一层金属银薄片或金属铜薄片。
优选地，所述金属层的厚度为0.5μm～1㎜。
优选地，所述含锡软钎料中金属锡的重量百分比为10％～100％。
优选地，所述含锡软钎料包括但不限于由以下组分组成的组：锡金、锡锑、锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铅、锡铋、锡铋银、锡铋铜、锡铟。
根据本发明的铝及其合金的钎焊方法，通过使用超声波金属焊接工艺，可以在不使用钎剂情况下环保、快速地去除铝及其合金表面的氧化膜；通过焊接前在铝及其合金表面预置一层金属银或铜并选用含有金属锡的软钎料，不但可以实现低温软钎焊，而且可以在钎料与铝及其合金结合界面形成连续金属间化合物层，避免锡与铝电偶形成，从而彻底解决含有金属锡的软钎料焊接铝及其合金的焊点抗电化学腐蚀性差的问题。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是根据本发明的钎焊方法的金属层示意图；
图2是本发明优选实施例中焊点结合面的扫描电镜示意图；
图3是本发明优选实施例中焊点结合面的扫描电镜线扫描示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
本发明中，通过超声波金属焊接去除铝及其合金表面的氧化膜；通过焊接前在铝及其合金表面预置一层金属银或铜并选用含有金属锡的软钎料，实现低温软钎焊，并避免锡与铝电偶形成，提高焊点的抗电化学腐蚀性。在上述思路的基础上，本发明可以采用如下的焊接方法：
根据本发明的一些实施例，铝及其合金的钎焊方法包括：
S11、在铝及其合金的表面预置一层金属层；
S12、对铝及其合金和金属层进行超声波金属焊接，去除铝及其合金表面的氧化膜，实现预制金属层与铝及其合金紧密结合；
S13、在金属层表面施加含锡软钎料，然后进行软钎焊。
根据本发明的另一些实施例，铝及其合金的钎焊方法包括：
S21、在铝及其合金的表面预置一层金属层；
S22、在金属层表面施加含锡软钎料，并对含锡软钎料进行加热；
S23、当含锡软钎料熔融时，对含锡软钎料进行超声波金属焊接。
本发明中的金属层为金属银层或金属铜层。银可以与铝生成Ag2Al等金属间化合物，铜可以与铝生成CuAl2等金属间化合物。键参数函数理论表明，键强度f值越大，两金属间亲和力越大，越有易于形成金属间化合物。表1示出了银(Ag)-铝(Al)和银(Ag)-锡(Sn)、铜(Cu)-铝(Al)和铜(Cu)-锡(Sn)之间的键强度值。
表1键强度f的计算值
从表1可以看出：铝(Al)-银(Ag)和铝(Al)-铜(Cu)金属间亲和力远大于锡(Sn)-银(Ag)和锡(Sn)-铜(Cu)金属间的亲和力。因此，在被焊接铝及其合金表面预置一层连续的金属银层或金属铜层后，再使用含有金属锡的软钎料合金钎焊时，银和铜不会迅速溶于含有金属锡的软钎料中，而是首先与铝在界面形成连续的Ag2Al或CuAl2等金属间化合物，从而避免锡-铝电偶(即锡与铝扩散层)形成，提高焊接接头的抗电化学腐蚀性能。
预置金属层的方法可以根据实际情况确定，比如，先使用模板印刷或针筒点涂的方式在铝及其合金表面预置一层由金属银粉末或金属铜粉末和有机物混合组成的膏状材料，再通过加热的方式使膏状材料中的有机物完全挥发、金属粉末之间烧结成合适厚度的金属层；或者，先对铝及其合金表面喷砂，再通过热喷涂工艺预置一层金属层；或者，在铝及其合金表面预置一层金属银薄片或金属铜薄片。当然，本领域技术人员也可以根据实际焊接需要选择其他的预置金属层的方式，只要保证铝及其合金与焊锡软钎料之间有连续的金属层即可。
金属层的厚度过薄，焊接后无法形成连续金属间化合物；厚度过厚，不但焊接时间过长、效率低，而且焊接成本高。可以根据焊点大小、焊接温度、焊接时间、软钎料的熔点和种类等因素确定金属层的厚度，根据本发明的优选实施例，金属层的厚度为0.5μm～1㎜。
在本发明的一些实施例中，首先在铝及其合金的表面预置一层金属层，然后再对铝及其合金和金属层进行超声波金属焊接，利用超声波产生的高频机械振动，可以使预置金属层与铝及其合金之间产生相互快速摩擦。这不但能破坏并最终去除铝及其合金表面致密的氧化膜，还能使两金属界面之间的温度快速升高，使两金属产生塑性变形并在软钎焊开始前即可以使预置金属层与铝及其合金实现原子之间紧密结合。
在本发明的另一些实施例中，在铝及其合金的表面预置一层金属层之后，直接在预置金属层表面施加含锡软钎料，再将含锡软钎料加热至熔化温度以上，当含锡软钎料熔融时，对含锡软钎料进行超声波金属焊接。超声波可以在熔融的含锡软钎料的内部造成正压和负压快速重复交替变化。负压时含锡软钎料的内部产生无数微小的空穴气泡，在正压时，这些空穴气泡被压破，空穴气泡破裂的瞬间释放巨大能量。空穴气泡释放的能量对铝及其合金表面产成巨大的冲击，使铝及其合金表面的致密氧化膜快速剥离。预置金属层溶入熔融钎料后，即可以与铝及其合金相互扩散，形成金属间化合物，从而避免形成锡-铝电偶，提高焊接接头的抗电化学腐蚀性能。
超声波金属焊接的频率、功率和时间可以根据实际焊接情况进行设置，本发明对此不作特别限定。例如，金属层厚度较大时可以适当提高超声波金属焊接的功率、或者延长超声波金属焊接的时间。超声波金属焊接的频率和功率对超声波金属焊接的时间也有影响，一般来说，在其条件相同的基础上，超声波金属焊接的频率越高和/或功率越小，超声波金属焊接的时间也越长。
本发明中的软钎料为焊锡软钎料。一方面，锡的熔点较低，使用含锡软钎料能实现低温焊接。另一方面，锡与铜或银之间的亲合力小于铝与铜或银之间的亲合力，使用含锡软钎料时，银或铜金属层会优先与铝形成金属间化合物，避免锡-铝电偶形成，提高焊接接头的抗电化学腐蚀性能。
软钎料中的含锡量对焊接效果具有重要影响，如果软钎料含锡量过少，钎料熔化和焊接温度过高，无法实现低温下铝及其合金的软钎焊。根据本发明的优选实施例，含锡软钎料中金属锡的重量百分比为10％～100％。为了获得特定熔点的焊锡软钎料，改善软钎料在某一表面的润湿性，或者为了进一步提高含锡软钎料的强度、抗机械冲击性和长期可靠性，可以在含锡软钎料中添加其他组分，如金属金、金属锑、金属铜等。本发明的优选实施例中，含锡软钎料包括但不限于由以下组分组成的组：锡金、锡锑、锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铅、锡铋、锡铋银、锡铋铜、锡铟。实际使用时，可以采用锡膏、或者锡线、或者锡条、或者预制片等形式的含锡软钎料。
为保证含锡软钎料在预置金属层表面快速润湿铺展并完成软钎焊，根据本发明的优选实施例，软钎焊的焊接温度至少比含锡软钎料的熔化温度高10℃。
实施例
在铝合金5052的表面印刷并烧结一层2μm～5μm的金属银层，图1示出了金属银层的示意图；
在金属层表面施加锡银软钎料，并对锡银软钎料进行加热；
当锡银软钎料熔融时，按照表2的工艺参数进行超声波金属焊接。
表2工艺参数
| 工艺参数 | 设置值 |
| 超声波频率 | 60KHZ |
| 超声波功率 | 10W |
| 焊接温度 | 260℃ |
| 焊接时间 | 1s～3s |
图2是本实施例中焊点结合面的扫描电镜示意图，图3是本实施例中焊点结合面的扫描电镜线扫描示意图。从图中可以看出：在铝合金与锡银软钎料结合界面形成了连续的Ag2Al金属间化合物。铝合金与锡银软钎料结合界面形成的Ag2Al金属间化合物能够避免锡-铝电偶形成，从而提高焊接接头的抗电化学腐蚀性能。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
Claims (10)
1.一种铝及其合金的钎焊方法，其特征在于包括：
S11、在铝及其合金的表面预置一层金属层，所述金属层为金属银层或金属铜层；
S12、对铝及其合金和所述金属层进行超声波金属焊接，去除铝及其合金表面的氧化膜，实现预制金属层与铝及其合金紧密结合；
S13、在所述金属层表面施加含锡软钎料，然后进行软钎焊。
2.如权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，预置金属层的方法为：
先使用模板印刷或针筒点涂的方式在铝及其合金表面预置一层由金属银粉末或金属铜粉末和有机物混合组成的膏状材料，再通过加热的方式使所述膏状材料中的有机物完全挥发、金属粉末之间烧结成合适厚度的金属层；或者，
先对铝及其合金表面喷砂，再通过热喷涂工艺预置一层金属层；或者，
在铝及其合金表面预置一层金属银薄片或金属铜薄片。
3.如权利要求2所述的钎焊方法，其特征在于，所述金属层的厚度为0.5μm～1㎜。
4.如权利要求3所述的钎焊方法，其特征在于，所述含锡软钎料中金属锡的重量百分比为10％～100％。
5.如权利要求4所述的钎焊方法，其特征在于，所述含锡软钎料包括但不限于由以下组分组成的组：锡金、锡锑、锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铅、锡铋、锡铋银、锡铋铜、锡铟。
6.一种铝及其合金的钎焊方法，其特征在于包括：
S21、在铝及其合金的表面预置一层金属层，所述金属层为金属银层或金属铜层；
S22、在所述金属层表面施加含锡软钎料，并对所述含锡软钎料进行加热；
S23、当所述含锡软钎料熔融时，对所述含锡软钎料进行超声波金属焊接。
7.如权利要求6所述的钎焊方法，其特征在于，预置金属层的方法为：
先使用模板印刷或针筒点涂的方式在铝及其合金表面预置一层由金属银粉末或金属铜粉末和有机物混合组成的膏状材料，再通过加热的方式使所述膏状材料中的有机物完全挥发、金属粉末之间烧结成合适厚度的金属层；或者，
先对铝及其合金表面喷砂，再通过热喷涂工艺预置一层金属层；或者，
在铝及其合金表面预置一层金属银薄片或金属铜薄片。
8.如权利要求7所述的钎焊方法，其特征在于，所述金属层的厚度为0.5μm～1㎜。
9.如权利要求8所述的钎焊方法，其特征在于，所述含锡软钎料中金属锡的重量百分比为10％～100％。
10.如权利要求9所述的钎焊方法，其特征在于，所述含锡软钎料包括但不限于由以下组分组成的组：锡金、锡锑、锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铅、锡铋、锡铋银、锡铋铜、锡铟。
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