CN106048667A - 一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法 - Google Patents

一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，包括将连接金属的接头开V型坡口，以便镀层在此位置生长，对坡口以外的位置进行绝缘处理，配置电镀液填充坡口，实现了铜‑铜或铜‑铝等同种或异种金属的连接。通过该方法所获得的连接金属，不仅获得了较高的连接强度，也解决了传统焊接中的脆相化合物、热应力等焊接质量问题。

Description

一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，特别设计一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法。
背景技术
现代工业的不断发展为连接工艺提出了越来越高的要求，传统连接工艺已经难以满足其发展需要；因此，焊接界长期致力于寻找新的连接技术。经过多年研究和发展，一些特种先进连接方法，如激光焊、电子束焊、摩擦焊以及微连接技术等已经成为了现代连接技术的重要组成部分。
激光焊是高能量密度的激光束作为热源的一种高度精密的焊接方法，是一种随着激光技术的发展而开始得到应用并逐步发展起来的新型焊接技术。自从20世纪60年代中期将红宝石激光应用于焊接技术以来，激光焊技术已经历了近半个世纪的发展。与常规的熔化焊焊接技术相比，激光焊技术具有以下多方面的优点：
(1)焊缝组织多为极细树枝晶，综合力学性能优良。
(2)激光焊过程中存在净化效应，焊缝中有害杂质含量较低，有更好的抗气孔和抗裂纹能力。
(3)焊接线能量小，焊道窄，焊缝深宽比大，热影响区极窄，工件收缩和变形较小。
(4)焊接生产效率高，可进行精确焊接并易于实现生产自动化。
(5)较易于实现异种材料和非对称接头的焊接。
(6)能够焊接一些其他焊接方法难以焊到的位置。
电子束焊是在高真空环境中由电子枪产生电子束。当阴极被加热后，由于热发射效应，其表面会发射电子。在一定的加速电压作用下，电子被加速到光速的30％～70％，具有一定的功能。通过电子光学系统把电子束会聚起来，提高其功率密度，达到融化焊接金属的目的。用电弧焊能焊接的金属，一般都能用电子束焊。同其他形式的熔焊方法相比，电子束焊具有以下优点:
(1)加热功率密度大，热效率高，焊缝接头热输入量小，适用于难熔金属以及热敏感性较强的金属材料焊接。
(2)焊缝深宽比大，焊接厚板时可以不开坡口实现单道焊，大大提高焊接厚板的技术经济指标。
(3)熔池周围气氛纯度高。
(4)规范参数调节范围广，适应性强。
电子束焊虽具有以上诸多优点，但也存在以下一些缺点，限制了该方法的普遍推广：
(1)结构复杂，控制设备精度高，成套设备价格高。
(2)焊接接头需进行专门设计和加工，接头间隙需要严格控制，提高成本。
(3)电子束焦点直径小，焊缝宽度窄，电子束与接缝对准稍有偏差即造成焊接缺陷。
(4)电子束易受到磁场的干扰。
(5)焊接时有X射线产生，屏蔽该射线比较困难，造成整机成本增加。
超塑性焊接是一种新的材料固态焊接方法。与一般变形焊接相比，可以在低应力下获得大的塑性变形而使焊接面极易实现密合，而且超塑性特殊的塑性变形机制可以在宏观变形量不大的情况下更有效地破坏氧化膜；与扩散焊相比，超塑性变形时界面的密合比一般蠕变更有效，且使原子的扩散能力大大加强，能在较短的时间内、较低温度下产生明显的扩散以实现材料的固态焊接。超塑性焊接还可以和塑性成形同步而同时完成零件的成形和焊接，如超塑成形/扩散焊接(SPF/DB)，这是其他固态焊接方法不能比拟的。超塑性焊接所具有的明显技术优势，使其具有很好的工业应用前景，已成为近年来固态焊接非常活跃的研究领域。
摩擦焊是一种固态热压焊，是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使界面及附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观变形而形成接头。摩擦焊的热影响区小，不会产生通常熔化焊产生的焊接缺陷，生产率高，产品质量稳定。多年来，摩擦焊以其优质、高效、节能和无污染的优势深受制造业重视，特别是今年来不断开发的摩擦焊新技术，如超塑性摩擦焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦焊等，使其不断在电力、化学、机械制造、石油天然气、汽车制造等领域得到广泛应用，而且在航空航天、核能、海洋开发等高技术领域也展现了新的应用前景。
爆炸焊是一种固态焊接，它是以炸药为能源，利用炸药爆炸时所产生的冲击波使两层或多层同种或异种材料高速倾斜碰撞而焊合在一起的方法。由于这种方法的动力学特点，在焊接界面上产生局部高温和高压，温度和塑性变形的共同作用能够使界面接合处的强度等于或大于母体金属的强度。爆炸焊能使物理性能(熔点、热膨胀系数、硬度等)有明显差异、用普通焊接方法无法焊接的金属焊合在一起，并能获得高强度的焊接接头，从而引起了工业界的极大兴趣。自20世纪80年代以来，爆炸焊的理论核试验技术得到了长足的发展，特别是在应用技术上有了许多创新，在化工、石油、制药、军事等领域得到了广泛应用。
微连接技术是决定电子信息产品最终质量的关键技术，在微电子元器件制造和电子产品组装中广泛应用。随着电子产品相便携式、微型化、智能化和多功能化方向发展，微电子组装密度不断提高，推动着微连接技术蓬勃发展。微连接技术并不是传统焊接技术之外的焊接方法，而是由于尺寸效应是焊接技术在工艺、材料、设备等方面与传统焊接技术存在明显不同。其主要应用对象是微电子器件内部引线连接和电子元器件在印制板上组装，涉及的主要焊接方法为压力焊和软钎焊。
异种金属的连接一直是焊接界的难题之一。以铜铝的焊接为例，在传统的熔化焊中，随着融池的冷却，易形成脆性金属间化合物。根据扩散程度的不同，可形成CuAl、CuAl2或者Cu9Al4，这些相在机械性能和电性能上都有较大的差异。为了减少金属间化合物形成，一些基于激光焊的方法被提出。如运用高亮激光减小融池范围；运用脉冲激光控制融池的对流；更换激光作用位置以减小扩散等；这些工艺一定程度上提高了焊接的质量，但仍难完全解决脆性化合物的生成，且造成激光焊工艺的复杂。因此，一些固态焊接方法得到了应用，例如扩散焊、混合摩擦扩散连接、搅拌摩擦焊等；已经发展成为了成熟的铜铝焊接工艺。然而这些固态焊接方法也有其局限性，例如热应力、不适应微小精细结构等。
本发明根据传统的同种或异种金属的焊接存在的不足，提供了一种基于电镀的同种或异种金属的新型连接方式。
发明内容
为了解决上述现有方法的不足，本发明提供了一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，包括以下步骤：
(1)将待连接金属的接头开V型坡口，以便镀层在此位置生长；
(2)将待连接金属固定于导电基板，对坡口以外的位置进行绝缘处理；
(3)给待连接金属的坡口电化学除油；
(4)去除坡口表面氧化膜；
(5)配置电镀液；
(6)电镀填充坡口，直至填充完全；
(7)去除余料，打磨坡口表面。
所述同种或异种金属的连接分别优选为铜与铜，具体如：T2紫铜与T2紫铜连接；铜与铝，具体如：T2紫铜与5052铝合金连接，导电基板材质为同，具体如：T2紫铜。
优选所述步骤(1)中，将两片待连接的条形金属打磨成45°楔形，将其对接起来后即形成90°V型坡口。坡口过大会导致电镀填充时间延长，降低连接效率，坡口过小会导致生长过程中破口顶部镀层长合，在内部留下间隙。
优选所述步骤(2)中，用透明胶缠绕的方式将待连接金属按照V型坡口形式固定于导电金属基板，透明胶将金属固定并绝缘，只露出V型坡口表面，从而保证电镀生长过程只在坡口部分进行。
优选所述步骤(3)中，除油剂配方及工艺参数为：3-5g/L NaOH；10-15g/L Na2CO3；25-30g/L Na3PO4；8-10g/L Na2SiO3；温度40-45℃；电流密度1-2A/dm2；时间20-30S。
优选所述步骤(4)中，将坡口表面置于体积浓度为体积浓度为10％盐酸中浸蚀10S，去除表面氧化膜，以便金属与镀层结合。
优选所述步骤(5)中，选取同种或异种金属进行电镀连接，选取氨基磺酸镍或硫酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L的硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1的范围内；随后加入60g/L的氯化镍。
进一步的优选方案中，所述步骤(5)中，当采用铜-铜的电镀连接时，优选选取氨基磺酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L的硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1范围内；随后加入60g/L的氯化镍。
而当采用铜-铝的电镀连接时，优选选取硫酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1范围内；随后加入60g/L的氯化镍。
优选方案之一为，所述步骤(6)中，当采用铜-铜的电镀连接时，优选电流密度为5-10A/dm2，温度为50-55℃，电镀过程中加磁力搅拌，其转速为400-450r/min；
而当采用铜-铝的电镀连接时，电流密度为3-5A/dm2，优选温度为40-45℃，电镀过程中加磁力搅拌，其转速为400-450r/min。
本发明的再一目的在于提供一种基于电镀的同种或异种金属的连接材料，所述连接材料通过前述的方法制备得到。
相比现有技术，本发明的优点在于：
(1).本发明提供的电镀连接方法是在低温(55℃以下)进行，避免了熔化焊中高温引起的脆相化合物、再结晶、热应力等问题。
(2).与固态焊接相比，电镀连接方法更能适应微小精细结构。通过透射电子显微镜(TEM)表征证明，Cu/Cu电镀Ni互连的连接机理为界面处形成铜镍置换固溶体；本发明经过大量拉伸测试，发现其接头抗拉强度极高(150-270MPa)，甚至超过母材本身强度。
(3).与传统的Cu/Al焊接方法不同，Cu/Al在电镀Ni互连过程中不形成金属间化合物，本发明经过大量拉伸测试，发现其界面结合强度(70-120MPa)虽不如铜镍界面牢固，但也超过了5052铝合金及纯铜的屈服强度，相比现有方法已有较大提升；断口形貌显示铝合金在铝镍界面断裂之前已经发生了塑性变形。
(4).工业生产中，电镀互连可大批量同时进行，生产效率高，成本低。
附图说明
图1为基于电镀的同种或异种金属的连接过程示意图。
图2为电镀镍连接的铜-铝接头截面的光学显微照片，其中0201为T2铜，0202为镀镍层，0203为5052铝合金。
图3为铜/镍界面处透射电子显微镜(TEM)选取电子衍射(SAED)花样。
图4为铝/镍界面处扫描电子显微镜(SEM)图像，其中0401为电镀镍层，0402为5052铝合金。
图5为铜-铜互连的单向拉伸试样的断后照片。
图6为铜-铝互连的单向拉伸试样的断后照片。
具体实施方式
下面通过具体实例及说明书附图说明本发明的实现途径，但本发明不局限于此。
实施实例1，铜-铝互连，参考图1、2、3、4、6：
(1).将T2紫铜及5052铝合金用线切割加工为20*10*0.5mm的长条状，并用1200#砂纸将其末端打磨成45°楔形。
(2).将楔形金属片对接形成90°V型坡口，并用透明胶将其缠绕于尺寸为100*10*2mm的T2紫铜导电基板上，只露出坡口表面。
(3).用纯镍板做阳极，待接铜片及铝合金片作阴极连入电路，对坡口做电化学除油处理；除油剂配方及工艺参数如下表，除油完毕后用自来水清洗两次，蒸馏水清洗一次。
(4).将坡口表面置于体积分数为10％的盐酸中浸蚀10S，去除表面氧化膜,用自来水清洗两次，蒸馏水清洗一次。
(5).选取硫酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入一定量的(40-50g/L)硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1范围内；随后加入60g/L的氯化镍，增加镍离子活性。
(6).将配置好的电镀液取90mL放置于一个100mL的烧杯中，作为电镀槽。将整个电镀槽放置于恒温磁力搅拌水浴锅里，用纯镍板做阳极，待接铜片或铝合金片作阴极连入电路，配以400-450r/min的磁力搅拌；电流密度为3-5A/dm2，温度为40-45℃。
(7).当电镀镍将坡口填满后，取下连接金属，用自来水清洗一次，随后用120#砂纸将其余料打磨掉，最后用2000#砂纸将坡口表面打磨光滑。
所得铜-铝连接接头以及铝/镍界面组织如图2及图4所示，铜/镍界面处透射电子显微镜(TEM)选取电子衍射(SAED)花样如图3所示。
实施实例2，铜-铜互连，参考图1、2、3、4、5：
(1).将两片T2紫铜用线切割加工为20*10*0.5mm的长条状，并用1200#砂纸将其末端打磨成45°楔形。
(2).将楔形紫铜片对接形成90°V型坡口，并用透明胶将其缠绕于尺寸为100*10*2mm的T2紫铜导电基板上，只露出坡口表面。
(3).用纯镍板做阳极，待接紫铜片作阴极连入电路，对坡口做电化学除油处理；除油剂配方及工艺参数如下表，除油完毕后用自来水清洗两次，蒸馏水清洗一次。
(4).将坡口表面置于体积分数为10％盐酸中浸蚀10S，去除表面氧化膜,用自来水清洗两次，蒸馏水清洗一次。
(5).选取氨基磺酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入一定量的(40-50g/L)硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1范围内；随后加入60g/L的氯化镍，增加镍离子活性。
(6).将配置好的电镀液取90mL放置于一个100mL的烧杯中，作为电镀槽。将整个电镀槽放置于恒温磁力搅拌水浴锅里，用纯镍板做阳极，待接铜片或铝合金片作阴极连入电路，配以400-450r/min的磁力搅拌；电流密度为5-10A/dm2，温度为50-55℃。
(7).当电镀镍将坡口填满后，取下连接金属，用自来水清洗一次，随后用120#砂纸将其余料打磨掉，最后用2000#砂纸将坡口表面打磨光滑。
实施实例3，抗拉强度测试实验及结果
将连接好的紫铜片用线切割加工成单向拉伸试样，测得其抗拉强度为150-270MPa；其断后照片如图5所示，其中3#及6#试样的接头强度超过了紫铜母材。
如图6所示，铜-铝互连也具有铜-铜互连的抗拉强度效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细的说明，但是不表示本发明的具体实施是局限于这些说明。对于本发明所属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是替换，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，包括：
(1)将待连接金属的接头开V型坡口，以便镀层在此位置生长；
(2)将待连接金属固定于导电基板，对坡口以外的位置进行绝缘处理；
(3)给待连接金属的坡口电化学除油；
(4)去除坡口表面氧化膜；
(5)配置电镀液；
(6)电镀填充坡口，直至填充完全；
(7)去除余料，打磨坡口表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将两片待连接的条形金属打磨成45°楔形，将其对接起来后即形成90°V型坡口。
3.根据权利要求1所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用透明胶缠绕的方式将待连接金属按照V型坡口形式固定于导电金属基板，透明胶将金属固定并绝缘，只露出V型坡口表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将坡口表面置于体积浓度为10％盐酸中浸蚀10S，去除表面氧化膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(5)中，选取同种或异种金属进行电镀连接，选取氨基磺酸镍或硫酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L的硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1；随后加入60g/L的氯化镍。
6.根据权利要求1或5任一权利要求所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用铜-铜的电镀连接，选取氨基磺酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L的硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1；随后加入60g/L的氯化镍。
7.根据权利要求1或5任一权利要求所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用铜-铝的电镀连接，选取硫酸镍做主盐，其浓度为200-300g/L；加入40-50g/L硼酸做PH稳定剂，将PH值稳定在3.9-4.1；随后加入60g/L的氯化镍。
8.根据权利要求1或5任一权利要求所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(6)中，采用铜-铜的电镀连接，电流密度为5-10A/dm2，温度为50-55℃，电镀过程中加磁力搅拌，其转速为400-450r/min；或者采用铜-铝的电镀连接，电流密度为3-5A/dm2，温度为40-45℃，电镀过程中加磁力搅拌，其转速为400-450r/min。
9.根据权利要求1所述的一种基于电镀的同种或异种金属的连接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，除油剂配方及工艺参数为：3-5g/L NaOH；10-15g/L Na2CO3；25-30g/LNa3PO4；8-10g/L Na2SiO3；温度40-45℃；电流密度1-2A/dm2；时间20-30S。
10.一种基于电镀的同种或异种金属的连接材料，其特征在于，所述连接材料通过权利要求1-9中任一权利要求所述的方法制备得到。
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