CN108465892B - 铜基材料大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法及应用 - Google Patents
铜基材料大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：将母材和合金钎料组成待焊组件；其中，所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成；控制超声波频率为14～100KHz、超声波功率为10～30w、钎焊温度为100℃～287℃，对待焊组件的焊接面进行超声钎焊，超声波作用时间为0.5～6s，使焊接母材形成冶金结合。本发明提供的钎焊方法，使母材与合金钎料之间产生冶金化学反应，使焊接母材与合金钎料形成冶金结合，提高超声焊接头的连接强度。基于该成型原理，本发明还提供一种铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，以及一种高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法。
Description
技术领域
本发明涉及铜与铜之间的超声焊接技术领域，具体涉及一种铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，尤其涉及一种高频数据线接口中的铜导线与接线端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法。
背景技术
铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的、以电气化和电子信息为特征的、高度文明的社会，铜应用于数据传送显得越来越重要了。随着信息时代到来，高频数据成为现代社会一种需求，而高频数据离不开高频数据线。高频数据线中，接头焊接质量直接影响数据传送速率等相关高频特性。因此焊接问题是一个极其重要而复杂的课题。
目前高频数据线USB3.1容易出现铜导体与铜端子之间焊接界面分离的现象，焊点形貌以及大小也存在不均匀的缺陷。除了在生产现场出现的失效，经过完整检测工序确认合格的样品，也会存在在随后的包装、运输过程中发生失效的现象，这会对客户以及公司形象造成极大的影响。目前铜与铜焊接技术分为三大类，熔焊、压焊、钎焊，其中熔焊包括电弧焊、埋弧焊，钨极氩弧焊(TIG)、熔化极氩弧焊(MIG)、CO2气体保护焊、激光焊，电子束焊，压焊包括电阻焊、超声波焊、爆炸焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、贮能焊等，其中Apple公司Aug.12，2014专利US8800,846B2ULTROASONIC BONDING公布了一种单股或多股铜导线与pcb(Printed Circuit Board，印制电路板)通过超声波焊接的技术，采用电阻加热的方式，其步骤是先将铜导线通过沾粘剂与pcb连接，再通过超声能量将pcb板与pad(焊盘)固相连接。其pcb板与焊盘固相连接需要高温才可以，并且超声固相焊需要是横波。
而广东工业大学2013.01.14在中国申请的发明专利201310013512.7专利公开了一种双超声波高频感应复合精密微连接装置，采用感应加热方式，上下加超声，实现铜导体与pcb固相连接，同Apple公司专利类似。日本公司矢崎总业株式会社藤本圭等公开了导线超声波焊接方法以及导线超声波焊接装置，采用超声波固相的方法，需要大功率的超声波设备才可实现。
上述技术超声波焊接技术有一个共同特点，即采用超声波固相焊接，焊接温度较高，且超声需要有较大的压力。而数据线接头结构特殊，内部塑胶无法承受高温及较大的压力，通常这个缺陷会给高频数据线焊接工业化带来致命性的打击。
鉴于此，有必要提供一种新的工艺解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明的第一个发明目的是提供一种铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，使铜基母材与铜基母材的焊接处形成冶金结合，在超低温度下实现超声焊接，并得到高强度的焊接结构。技术方案如下：
铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：将铜基母材和合金钎料组成待焊组件，所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成；
步骤S2：超声钎焊，通过超声焊接设备将第一超声波传导至铜基母材的焊接区域，并将第一超声波的频率控制在15～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，对待焊组件的焊接面进行超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s，铜基母材和合金钎料在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊；
步骤S3：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜基母材和合金钎料均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，合金钎料与铜基母材之间产生化学反应并形成连结铜基母材的冶金共晶相层。
优选的，在所述步骤S1之前增加超声浸钎步骤，通过超声浸钎方法使铜基母材的焊接部表面预浸有合金钎料，组成待焊组件。
优选的，所述超声浸钎方法是将铜基母材的焊接部在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波或者对铜基母材施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使焊接部的表面附着一层细密的合金钎料层。
优选的，步骤S1中，进行超声焊接的所述铜基母材选用主要成份为铜的铜板、铜管或铜导线。
优选的，所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种。
优选的，步骤S2中，在超声钎焊过程中，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜基母材，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在2～5s，使铜基母材与合金钎料形成冶金结合。
优选的，过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜基母材和合金钎料在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃。
优选的，在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜基母材3～7s。
针对现有技术所存在的不足，本发明的第二个发明目的是提供一种铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，使铜导线与电路铜基板经过超声钎焊后形成冶金结合，在超低温度下实现超声焊接，并得到高强度的焊接结构。技术方案如下：
一种铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或电路铜基板在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或电路铜基板施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500W，从而使铜线焊接部和/或电路铜基板的表面附着一层细密的合金钎料层；
所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
步骤S3：定位装夹，将铜线焊接部与电路铜基板定位装夹于超声焊接设备，组成待焊组件，并使超声焊接设备的超声焊头压接铜线焊接部或电路铜基板；
步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对铜线焊接部及电路铜基板施加第一超声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使铜线焊接部与电路铜基板在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜线焊接部、合金钎料和电路铜基板均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、电路铜基板与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与电路铜基板之间的焊接层。
优选的，步骤S4中，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜线焊接部或电路铜基板，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s；
所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种。
优选的，所述步骤S1中，使用超声刀剥除铜导线的末端部的外皮；
所述步骤S2中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，将第二超声波的频率在20～80KHz，并将第二超声波的功率控制在120-250W，将附着在铜线焊接部和/或电路铜基板的表面合金钎料层的厚度控制在0.5～2mm；
所述步骤S3中，将超声焊接设备的超声焊接头设计成夹具的上部，通过夹具定位装夹铜线焊接部与电路铜基板；
所述步骤S4中，通过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150-280℃。
优选的，在所述超声钎焊过程中，并将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5～1s。
优选的，在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜线焊接部或电路铜基板3～7s。
针对现有技术所存在的不足，本发明的第三个发明目的是提供一种高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，使铜导线与铜端子经过超声钎焊后形成冶金结合，在超低温度下实现超声焊接，并得到高强度的端子焊接结构。技术方案如下：
一种高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或铜端子在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或铜端子施加第二超声波，并将第二超声波的频率在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使铜线焊接部和/或铜端子的表面附着一层细密的合金钎料层；
所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
步骤S3：定位装夹，通过夹具将高频数据线的各根铜线焊接部分别压置于高频数据线接口中的各对应铜端子之上，组成待焊组件，并定位装夹于超声焊接设备，并使超声焊接设备的超声焊头压接夹具、铜线焊接部或电路铜基板；
步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对夹具、铜线焊接部或铜端子施加第一超声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使各铜线焊接部分别与对应的铜端子在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在各铜线焊接部、合金钎料和各铜端子均未达到其融熔温度的前提下，利用超声波空化效应去除铜表面氧化膜，同时利用空化效应产生高温高压促使铜线焊接部与合金钎料之间、铜端子与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与铜端子之间的焊接层。
优选的，步骤S4中，将超声焊接设备的超声焊接头设计成所述夹具的上部，并在超声焊接头的底面设计若干凹槽，用于压接高频数据线接口的各个铜线焊接部，在超声钎焊过程中，超声焊接头产生的超声波直接传导至各个铜线焊接部；
并将第一超声波的频率控制在19～81KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s，使铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、合金钎料与电路铜基板之间分别形成冶金结合；
所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种。
优选的，通过加热元件加热超声焊接头，加热元件的温度控制在400～550℃或加热待焊组件，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃；
所述步骤S4中，在所述超声钎焊过程中，将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s。
优选的，步骤S1：使用超声刀剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮；
步骤S2中，通过内置的加热元件加热合金钎料，或者通过外置的加热元件加热合金钎料槽，使合金钎料融熔成液体形态，并将所述第二超声波传导到液态的合金钎料中，同时连续缓慢搅拌合金钎料，在超声搅拌条件下进行超声浸钎；
步骤S4中，在超声钎焊过程中，在撤除第一超声波后，控制超声焊接头保持压接各个铜线焊接部3～7s。
优选的，步骤S2：在超声浸钎过程中，使铜线焊接部或铜端子在液态合金钎料中晃动、抖动或来回移动；
在对铜端子进行超声浸钎前，铜端子定位固定于高频数据线接口中的基体，先使用隔热片、隔热膜或隔热涂层将铜端子除外的基体封闭起来，形成用于隔离合金钎料的屏蔽体，再将基体固定有铜端子的一端浸入合金钎料槽中。
相较于现有技术，本发明提供的铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，有效果在于：
一、本发明提供的铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，通过优化焊接工艺，使母材与合金钎料之间产生冶金化学反应，超声的作用使焊缝金属液相晶粒细化并相互快速渗透及加快母材与合金钎料元素反应速度，使焊接母材与合金钎料形成冶金结合，提高超声焊接头的连接强度。超声的作用使晶粒细化并相互快速渗透，使焊接母材形成冶金结合，提高超声焊接头的连接强度。同时，本发明提供的铜基材料的超声钎焊方法，钎焊温度为100～287℃，超声作用时间为0.5～6s，在焊接温度低、焊接时间短的情况下使合金钎料熔融，合金钎料的热量在短时间不能传递至支撑铜基板的塑料线槽内，从而可防止电路铜基板的塑料线槽发生变形而影响产品性能。
二、本发明提供的铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，利用超声波的振动和空化作用，使熔化合金钎料内产生空化气泡和射流，空化气泡破裂后产生局部冲击波，可以使铜导体表面氧化膜去除，与传统焊接技术相比，可省去助焊剂，从而可降低工件被污染的概率，该工艺不会产生任何焊渣、污水、有害气体等废物，是一种节能环保的焊接方法。
三、本发明提供的铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，应用于高频数据线接口中的铜导线与铜端子的焊接工艺中，使形成的接头导通阻抗低，极大减小了高频信号线在铜导线与焊点处因阻抗过大引起的回波损耗。
四、本发明提供的铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，合金钎料由SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，优选为Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种，具有导电率高等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中配制合金钎料的中间合金SnAg的组织成分分析图；
图2为本发明中配制合金钎料的中间合金SnCu的组织成分分析图；
图3为本发明中配制合金钎料的中间合金SnBi的组织成分分析图；
图4为本发明中合金钎料Sn0、Sn1的显微组织图；
图5为本发明中合金钎料Sn1的合金组织成分分析图；
图6为本发明中合金钎料Sn2的显微组织图；
图7为本发明中合金钎料Sn2的合金组织成分分析图；
图8为本发明中合金钎料Sn3的显微组织图；
图9为本发明中合金钎料Sn3的合金组织成分分析图；
图10为本发明中合金钎料Sn4的显微组织图；
图11为本发明中合金钎料Sn4的合金组织成分分析图；
图12为本发明中合金钎料Sn5的显微组织图；
图13为本发明中合金钎料Sn5的合金组织成分分析图；
图14为本发明中合金钎料Sn1/紫铜板的连接界面结构图；
图15为本发明中合金钎料Sn2/紫铜板的连接界面结构图；
图16为本发明中合金钎料Sn3/紫铜板的连接界面结构图；
图17为本发明中合金钎料Sn4/紫铜板的连接界面结构图；
图18为本发明中合金钎料Sn5/紫铜板的连接界面结构图；
图19为本发明中合金钎料Sn4/紫铜板的连接界面合金组织成分分析图；
图20为超声波工具头外加热源温度为400℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；
图21为超声波工具头外加热源温度为500℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；
图22为超声波工具头外加热源温度为520℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；
图23为超声波工具头外加热源温度为550℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响。
图24为本发明中合金钎料Sn1连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；
图25为本发明中合金钎料Sn2连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；
图26为本发明中合金钎料Sn3连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；
图27为本发明中合金钎料Sn4连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；
图28为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；
图29为本发明中合金钎料Sn1连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；
图30为本发明中合金钎料Sn2连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；
图31为本发明中合金钎料Sn3连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；
图32为本发明中合金钎料Sn4连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；
图33为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；
图34为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的界面合金组织成分分析图；
图35为采用本发明的超声钎焊方法成型的高频数据线的阻抗曲线图；
图36为采用常规焊接方法成型的高频数据线的阻抗曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在对超声钎焊工艺进行具体阐述前，首先对本发明中所需的合金钎料化学成分、组织成分等特点进行说明。
本发明中，选用四种中间合金配制合金钎料，四种中间合金分别为SnAg、SnCu、SnIn和SnBi，其化学成分分析如表1：
表1：四种中间合金的化学成分(wt％)
以下对SnAg、SnCu和SnBi的组织成分进行分析，因SnBi合金太软，没有做出可晶相观察试样。上述三种合金的组织成分分析如下：
请结合参阅图1和表2，其中图1为本发明中配制合金钎料的中间合金SnAg的组织成分分析图，表2为图1中各位置点的组织成分分析表，各点组织成分如下：
表2：图1中各位置点的组织成分
结合图1和表2可以看出，浅灰色大小块状(65～67)为Ag3Sn化合物，整体组织为初生相Ag3Sn+(Ag3Sn+Sn)共晶相。
请结合参阅图2和表3，其中图2为本发明中配制合金钎料的中间合金SnCu的组织成分分析图，表3为图2中各位置点的组织成分分析表，各点组织成分如下：
表3：图2中各位置点的组织成分
| 位置 | Sn | Cu |
| 24 | 63.4 | 36.6 |
| 25 | 63.1 | 36.9 |
| 26 | 63.3 | 36.7 |
| 27 | 63.2 | 36.8 |
| 28 | 98.6 | 1.4 |
结合图2和表3可以看出，黑色不规则块状(24～27)为Cu6Sn5，整体组织为初生相Cu6Sn5+(Cu6Sn5+Sn)共晶相。
请结合参阅图3和表4，其中图3为本发明中配制合金钎料的中间合金SnBi的组织成分分析图，表4为图3中各位置点的组织成分分析表，各点组织成分如下：
表4：图3中各位置点的组织成分
| 位置 | Sn | Bi |
| 75 | 11.6 | 88.3 |
| 76 | ～ | 100 |
| 77 | ～ | 100 |
| 78 | 95.4 | 4.6 |
| 79 | 95.6 | 4.4 |
| 80 | 95 | 5 |
| 81 | 52 | 48 |
结合图3和表4可以看出，黑色相为(78～80)为β～Sn，白色相为纯Bi，整体组织为β～Sn+Bi共晶相。
利用上述四种中间合金材料共配制6种Sn基合金合金钎料，分别编号为Sn0、Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5；其中Sn0为公司生产所用SnAgCu合金钎料，Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5为自制合金钎料。然后分别对6种合金合金钎料的组织成分和熔点进行了测试分析。合金合金钎料的化学成分如表5：
表5：不同实施例组分配制的合金合金钎料的化学成分(wt.％)
从表5可以看出，Sn0的化学成分比较准确，Sn1的化学成分也相对比较准确，略有误差是配制的量比较少导致的。Sn2～Sn5四种合金钎料中，Ag、Cu和Bi的化学成分还可以，差异比较大的In，原因是一方面In极易氧化，另一方面Sn50In中间合金的成分存在较大偏差，需要进一步优化。
对Sn2～Sn5五种合金钎料进行DSC分析，其结果如表6所示。
表6：配制合金钎料的DSC分析结果
从表6可以看出，Sn1实际熔点与名义熔点相符，而其他四种合金实际熔点略高于名义熔点，这就是由于In含量低于名义成分的缘故。
以下对Sn0～Sn5六种合金钎料的组织成分进行分析。
请结合参阅图4～图13，其中图4为本发明中合金钎料Sn0、Sn1的显微组织图，图5为本发明中合金钎料Sn1的合金组织成分分析图；图6为本发明中合金钎料Sn2的显微组织图，图7为本发明中合金钎料Sn2的合金组织成分分析图；图8为本发明中合金钎料Sn3的显微组织图，图9为本发明中合金钎料Sn3的合金组织成分分析图；图10为本发明中合金钎料Sn4的显微组织图，图11为本发明中合金钎料Sn4的合金组织成分分析图；图12为本发明中合金钎料Sn5的显微组织图，图13为本发明中合金钎料Sn5的合金组织成分分析图。
合金钎料Sn1～Sn5的组织成分分别如表7～表11所示。表7：Sn1的组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | Cu |
| 35 | 92.4 | 6.9 | 0.7 |
| 36 | 100 | ～ | ～ |
| 37 | 91.6 | 7.7 | 0.7 |
| 38 | 92.4 | 7.5 | 0.1 |
| 39 | 90.5 | 8.9 | 0.7 |
表8：Sn2的组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | Cu | In |
| 103 | 69.6 | ～ | 26.9 | 3.5 |
| 104 | 70.4 | ～ | 25.6 | 4 |
| 105 | 71.2 | ～ | 25.1 | 3.8 |
| 106 | 82.5 | 10.5 | ～ | 7 |
| 107 | 95.9 | ～ | ～ | 4.1 |
| 108 | 59.6 | 13.5 | 17.8 | 9 |
| 109 | 67.7 | 21.1 | 0.2 | 11 |
| 110 | 92.2 | 3.1 | 0.1 | 4.6 |
表9：Sn3的组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | In |
| 46 | 100 | ～ | ～ |
| 47 | 85.4 | 8.4 | 6.2 |
| 48 | 66.3 | 22.3 | 11.4 |
| 49 | 31.1 | 47.4 | 21.4 |
| 50 | 79 | 8.5 | 12.5 |
| 51 | 88.4 | 4.8 | 6.8 |
表10：Sn4的组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | In | Bi |
| 118 | 63.3 | 26.5 | 8.5 | 1.7 |
| 119 | 50.8 | 38.9 | 9.7 | 0.6 |
| 120 | 89 | 5.1 | 4 | 1.8 |
| 121 | 88.1 | 6.9 | 3.8 | 1.3 |
表11：Sn5的组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | In | Bi |
| 8 | 29.1 | 50.1 | 20.6 | 0.1 |
| 9 | 71.1 | 16.8 | 11.3 | 0.8 |
| 10 | 73.9 | 16.7 | 11.3 | 0.8 |
| 11 | 78.7 | 11.9 | 8.4 | 0.9 |
| 12 | 86.2 | 6.9 | 6.1 | 0.8 |
| 13 | 85.1 | 7.7 | 6.5 | 0.6 |
| 14 | 95.3 | 3.6 | 0.5 | 0.5 |
从图4中合金钎料Sn0、Sn1的显微组织图可以看出，两种合金钎料Sn0、Sn1显微组织相似，均为纯Sn+SnAgCu共晶；结合图5和表7可以看出，颗粒状网状组织为SnAgCu共晶。
结合图7和表8，Sn2相比Sn1，多加入In元素。其中黑色的为SnCuIn相，浅灰色颗粒状为SnAgIn相，基体为纯Sn(In)固溶体。
结合图9和表9，Sn3相比Sn2，少了Cu元素。其中亮白色小颗粒状SnAgIn相，大块状为Ag3Sn相，基体为纯Sn。
结合图11和表10，Sn4相比Sn3，多加入Bi元素，并减少了In。其中亮白色小颗粒状SnAgBiIn相，大块状为Ag3Sn相，基体为纯Sn。
结合图13和表11，Sn5相比Sn3，多加入Bi元素。其中亮白色小颗粒状SnAgBiIn相，相对In含量提高，大块状为Ag3Sn相，基体为纯Sn。
基于上述合金钎料，以下对铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法进行详细阐述。需要说明的是，本发明提供的铜基材料的超声钎焊方法可应用于两个或多个铜材料的工件焊接。基于工件的不同应用领域，以下通过不用的实施例对其进行详细描述。
实施例1
一种铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：将铜基母材和合金钎料组成待焊组件，所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成；
具体的，铜基母材和合金钎料组成待焊组件通过超声浸钎步骤形成，即通过超声浸钎方法使铜基母材的焊接部表面预浸有合金钎料，组成待焊组件；
其中，超声浸钎方法是将铜基母材的焊接部在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波或者对铜基母材施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使焊接部的表面附着一层细密的合金钎料层；优选的，将第二超声波的频率在20～80KHz，并将第二超声波的功率控制在120-250W，将附着在铜线焊接部和/或电路铜基板的表面合金钎料层的厚度控制在0.5～2mm；
优选的，进行超声焊接的所述铜基母材选用主要成份为铜的铜板、铜管或铜导线等；
优选的，所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种；
步骤S2：超声钎焊，通过超声焊接设备将第一超声波传导至铜基母材的焊接区域，并将第一超声波的频率控制在15～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，对待焊组件的焊接面进行超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s，铜基母材和合金钎料在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊；
优选的，在超声钎焊过程中，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜基母材，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在2～5s，使铜基母材与合金钎料形成冶金结合；
优选的，通过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜基母材和合金钎料在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃；
优选的，在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜基母材3～7s；
步骤S3：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜基母材和合金钎料均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，合金钎料与铜基母材之间产生化学反应并形成连结铜基母材的冶金共晶相层。
以下通过控制钎焊温度为260℃，超声波作用3s，对焊接界面进行检测以说明其技术效果。
以下对实施例1形成的合金钎料/紫铜板的连接界面进行分析。请结合参阅图14～图18，其中图14为本发明中合金钎料Sn1/紫铜板的连接界面结构图；图15为本发明中合金钎料Sn2/紫铜板的连接界面结构图；图16为本发明中合金钎料Sn3/紫铜板的连接界面结构图；图17为本发明中合金钎料Sn4/紫铜板的连接界面结构图；图18为本发明中合金钎料Sn5/紫铜板的连接界面结构图；图19为本发明中合金钎料Sn4/紫铜板的连接界面合金组织成分分析图。
从图14、15可以看出，合金钎料/紫铜板的连接界面上反应生成了两层化合物，靠近母材侧为致密的化合物层，靠近合金钎料侧为疏散的块状化合物。并且，Sn1合金钎料/紫铜板界面中致密化合物层为最厚的，约为2μm，Sn2～Sn4/紫铜板界面中致密化合物层厚度约为1μm，Sn5/紫铜板界面中致密化合物层厚度最薄，不足0.5μm，这是由于Sn含量的多少导致的。Sn含量越高，致密化合物层越厚，块状化合物越疏散。且合金钎料/紫铜板连接处呈梳状，渗透充分，且不是直线，表明其结合力强。
以Sn4为例，对其焊接界面组织成分进行分析，分析数据如表12：
表12：合金钎料Sn4/紫铜板连接界面组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | Cu | In | Bi |
| 23 | 65.1 | 5.9 | 1 | 13.1 | 0.3 |
| 24 | 65.5 | 26.8 | 0.7 | 6.6 | 0.3 |
| 25 | 46.9 | 53.1 | ～ | ～ | ～ |
| 26 | 42.2 | 55.2 | ～ | ～ | ～ |
| 27 | 91.1 | 3.4 | 2.5 | 2.5 | 0.5 |
结合图19和表12可以看出，两层化合物均为Cu6Sn5相，其生长形态的不同，是由于元素扩散速率不同所导致的。
实施例2
一种铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
具体的，使用超声刀剥除铜导线的末端部的外皮；利用超声波的声塑性效应，在脱芯刀上直接加超声波，改善机械刀脱芯断铜丝等不良现象。
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或电路铜基板在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或电路铜基板施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500W，从而使铜线焊接部和/或电路铜基板的表面附着一层细密的合金钎料层；所用合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
在超声搅拌条件浸钎，合金钎料能够很好的包裹铜导线，且铜导线具有圆形或近似于圆形的外部形状，大大提高了均匀一致性；而在取消超声搅拌条件，其他条件不变的情况下，浸合金钎料后的铜导线排布不规则、无固定形状、升值呈不规则外形的扁平形状，且部分铜导线浸合金钎料后合金钎料不能完全包裹铜导线，导致浸合金钎料接头内部分铜导线缺失。
优选的，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，将第二超声波的频率在20～80KHz，并将第二超声波的功率控制在120-250W，将附着在铜线焊接部和/或电路铜基板的表面合金钎料层的厚度控制在0.5～2mm；
优选的，所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种；
步骤S3：定位装夹，将铜线焊接部与电路铜基板定位装夹于超声焊接设备，组成待焊组件，并使超声焊接设备的超声焊头压接铜线焊接部或电路铜基板；
优选的，将超声焊接设备的超声焊接头设计成夹具的上部，通过夹具定位装夹铜线焊接部与电路铜基板；
步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对铜线焊接部及电路铜基板施加第一超声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使铜线焊接部与电路铜基板在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
优选的，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜线焊接部或电路铜基板，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s；
更优选的，通过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150-280℃；
更优选的，在所述超声钎焊过程中，并将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5～1s；
优选的，在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜线焊接部或电路铜基板3～7s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜线焊接部、合金钎料和电路铜基板均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、电路铜基板与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与电路铜基板之间的焊接层。
将采用实施例2的焊接接头进行拉力测试，测试超声作用时间对焊点拉力值的影响。请参阅图20～图24，其中图20为超声波工具头外加热源温度为400℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；图21为超声波工具头外加热源温度为500℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；图22为超声波工具头外加热源温度为520℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响；图23为超声波工具头外加热源温度为550℃下超声作用时间对焊点拉力值的影响。
根据图20～图24的测试结果可以看出，超声振动时间为0.5s时，各焊点的强度最高；若超声振动时间过短，空化作用不够，接头结合效果差；若超声振动时间过长会造成形成的IMC有振碎的现象，并可能伴随裂纹产生，影响接头的可靠性。
在各个实验条件下温度对各个焊点的影响情况皆不同，随着温度的升高，Cu原子会更加充分的向合金钎料层扩散，形成一层薄的IMC层，在合理的温度范围内，提升温度使得界面组织更加致密，但是过厚的IMC层脆性增加，对接头的质量很不利。
综上，超声作用时间优选为0.5～1s。具体优选技术方案为，控制钎焊温度为260℃，超声波作用0.6s、压接4S后空冷至室温。
以下对实施例2形成的合金钎料连接铜导线和电路铜基板的连接界面进行分析。
以合金钎料连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌表示。请结合参阅图24～图28，其中图24为本发明中合金钎料Sn1连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；图25为本发明中合金钎料Sn2连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；图26为本发明中合金钎料Sn3连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；图27为本发明中合金钎料Sn4连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图；图28为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的焊点宏观形貌图。有图24～图28可以看出，大部分焊点的外形都不太规则，没有形成半圆形圆滑过渡，并存在一些大小不一的缩孔和气孔。根据分析可知，其外形不规则的主要原因是刀头压力造成的，强度高低决定于合金钎料中Sn与铜形成的化合物层厚度，此厚度由超声时间及超声功率决定。
以合金钎料连接铜导线和电路铜基板的焊点界面组织成分表示。请结合参阅图29～图34，其中图29为本发明中合金钎料Sn1连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；图30为本发明中合金钎料Sn2连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；图31为本发明中合金钎料Sn3连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；图32为本发明中合金钎料Sn4连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；图33为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的界面组织形貌；图34为本发明中合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的界面合金组织成分分析图。
由图29～图33可以看出，铜导线和电路铜基板的连接界面结合良好，实现了冶金结合，发生了化学反应。
对比实施例1和实施例2中的合金钎料/紫铜板连接界面与合金钎料/电路铜基板连接界面：
由于实施例2的超声作用时间仅为实施例1的超声作用时间的1/5，超声作用时间可以加速元素的扩散，加速化学反应度率，使得化合物层过厚，不利于接头性能。超声作用0.6s，合金钎料/电路铜基板的连接界面上只存在块状化合物，没有观察到连续致密化合物层的存在。
再次，对比合金钎料/电路铜基板与合金钎料/铜导线的连接界面：
由于电路铜基板表面电镀一层Ni层以减缓Sn与Cu之间的反应，而铜导线没有此镀层。从图中可以看出，铜导线的连接界面也没有致密化合物层的存在，但是块状化合物得数量确实比PCB板的连接界面的要多。Sn1的界面上有气孔和裂纹存在，见图29。Sn2和Sn4与铜导线的连接界面存在数量大小不一的由于合金钎料补充不足引起的缩孔。
以Sn5为例，对其焊接界面组织成分进行分析，分析数据如表13：
表13：合金钎料Sn5连接铜导线和电路铜基板的界面合金组织成分分析表
| 位置 | Sn | Ag | Cu | In | Ni |
| 8 | 60.2 | 3.5 | 22.6 | 3.6 | 7.1 |
| 9 | 90.6 | ～ | 3.5 | 5.8 | ～ |
| 10 | 36.9 | ～ | 57.3 | 1.8 | 4.0 |
| 11 | 55.9 | ～ | 21.8 | ～ | 22.3 |
结合图34和表13可以看出，合金钎料/铜导线和合金钎料/电路铜基板的连接界面化合物均为Cu6Sn5，但是由于Ni层的存在，电路铜基板侧的化合物为(Cu,Ni)6Sn5。
另外，采用实施例2的超声钎焊工艺处理后，从接头的微观组织图可以看出，铜导体与铜端子之间焊接界面结合紧密，合金晶粒尺寸得到明显细化，组织更加均匀，气孔率和夹渣得到进一步减少；同时，连接铜导线和铜端子的钎焊层气孔明显减少，及氧化膜能全部去除。与本发明提供的超声钎焊方法相比，传统的焊接接头铜导体与铜端子之间焊接界面分离并且内部的气孔和夹渣较多，尺寸较大，且不规则；焊层凝固组织多孔洞，且疏松。
实施例3
本发明还提供一种高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
优选的，使用超声刀剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮；
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或铜端子在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或铜端子施加第二超声波，并将第二超声波的频率在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使铜线焊接部和/或铜端子的表面附着一层细密的合金钎料层；所用合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
优选的，所用合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种；
优选的，通过内置的加热元件加热合金钎料，或者通过外置的加热元件加热合金钎料槽，使合金钎料融熔成液体形态，并将所述第二超声波传导到液态的合金钎料中，同时连续缓慢搅拌合金钎料，在超声搅拌条件下进行超声浸钎；
优选的，在超声浸钎过程中，使铜线焊接部或铜端子在液态合金钎料中晃动、抖动或来回移动；
在对铜端子进行超声浸钎前，铜端子定位固定于高频数据线接口中的基体，先使用隔热片、隔热膜或隔热涂层将铜端子除外的基体封闭起来，形成用于隔离合金钎料的屏蔽体，再将基体固定有铜端子的一端浸入合金钎料槽中。
步骤S3：定位装夹，通过夹具将高频数据线的各根铜线焊接部分别压置于高频数据线接口中的各对应铜端子之上，组成待焊组件，并定位装夹于超声焊接设备，并使超声焊接设备的超声焊头压接夹具、铜线焊接部或电路铜基板；
步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对夹具、铜线焊接部或铜端子施加第一超声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使各铜线焊接部分别与对应的铜端子在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
优选的，将超声焊接设备的超声焊接头设计成所述夹具的上部，并在超声焊接头的底面设计若干凹槽，用于压接高频数据线接口的各个铜线焊接部，在超声钎焊过程中，超声焊接头产生的超声波直接传导至各个铜线焊接部；
优选的，将第一超声波的频率控制在19～81KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s，使铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、合金钎料与电路铜基板之间分别形成冶金结合；
更优选的，通过加热元件加热超声焊接头，加热元件的温度控制在400～550℃或加热待焊组件，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃；
更有选的，在超声钎焊过程中，将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s。
优选的，在超声钎焊过程中，在撤除第一超声波后，控制超声焊接头保持压接各个铜线焊接部3～7s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在各铜线焊接部、合金钎料和各铜端子均未达到其融熔温度的前提下，利用超声波空化效应去除铜表面氧化膜，同时利用空化效应产生高温高压促使铜线焊接部与合金钎料之间、铜端子与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与铜端子之间的焊接层。
通过实施例3获得的高频数据线接口超声焊接头，其力学性能、界面组织结构等实验参数均与实施例2相同，在此不做赘述。
对采用实施例3的超声钎焊方法焊接得到的高频数据线进行电性测试，以阻抗值表示。
请结合参阅图35和图36，其中图35为采用本发明的超声钎焊方法成型的高频数据线的阻抗曲线图；图36为采用常规焊接方法成型的高频数据线的阻抗曲线图。由图35和图36分析可以看出，采用本发明的超声钎焊方法成型的高频数据线阻抗低，可极大减少高频信号在铜导线与焊点处因阻抗过大引起的回波损耗。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.铜基材料在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将铜基母材和合金钎料组成待焊组件，其中，所述铜基母材选用主要成份为铜的铜板、铜管或铜导线；所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种；
步骤S2：超声钎焊，通过超声焊接设备将第一超声波传导至铜基母材的焊接区域，在超声钎焊过程中，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜基母材，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在2～5s，使铜基母材与合金钎料形成冶金结合；通过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜基母材和合金钎料在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃；在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜基母材3～7s；
步骤S3：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜基母材和合金钎料均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，合金钎料与铜基母材之间产生化学反应并形成连结铜基母材的冶金共晶相层；
在所述步骤S1之前增加超声浸钎步骤，通过超声浸钎方法使铜基母材的焊接部表面预浸有合金钎料，组成待焊组件；
所述超声浸钎方法是将铜基母材的焊接部在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波或者对铜基母材施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使焊接部的表面附着一层细密的合金钎料层。
2.一种铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或电路铜基板在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或电路铜基板施加第二超声波，并将第二超声波的频率控制在15-100KHz、功率控制在100-500W，从而使铜线焊接部和/或电路铜基板的表面附着一层细密的合金钎料层；
所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
步骤S3：定位装夹，将铜线焊接部与电路铜基板定位装夹于超声焊接设备，组成待焊组件，并使超声焊接设备的超声焊头压接铜线焊接部或电路铜基板；步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对铜线焊接部及电路铜基板施加第一超
声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使铜线焊接部与电路铜基板在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在铜线焊接部、合金钎料和电路铜基板均未达到其融熔温度的前提下，在第一超声波及温度作用下，铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、电路铜基板与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与电路铜基板之间的焊接层。
3.根据权利要求2所述的铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：所述步骤S4中，使超声焊接设备的超声焊接头压接铜线焊接部或电路铜基板，并将第一超声波的频率控制在30～50KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s；
所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种。
4.根据权利要求3所述的铜导线与电路铜基板在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：
所述步骤S1中，使用超声刀剥除铜导线的末端部的外皮；
所述步骤S2中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，将第二超声波的频率在20～80KHz，并将第二超声波的功率控制在120-250W，将附着在铜线焊接部和/或电路铜基板的表面合金钎料层的厚度控制在0.5～2mm；
所述步骤S3中，将超声焊接设备的超声焊接头设计成夹具的上部，通过夹具定位装夹铜线焊接部与电路铜基板；
所述步骤S4中，通过加热元件加热超声焊接头或加热待焊组件，将加热元件的温度控制在400～550℃，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150-280℃；
在所述超声钎焊过程中，并将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5～1s；在撤除第一超声波后，控制超声焊接设备的超声焊接头保持压接铜线焊接部或电路铜
基板3～7s。
5.一种高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：脱线皮，剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮，使铜导线的外端部裸露而形成一铜线焊接部；
步骤S2：超声浸钎，将铜线焊接部和/或铜端子在合金钎料槽中浸泡1～5秒之后再移出合金钎料槽，且至少在浸泡过程中，对合金钎料槽中的液态合金钎料施加第二超声波，或者对铜线焊接部和/或铜端子施加第二超声波，并将第二超声波的频率在15-100KHz、功率控制在100-500w，从而使铜线焊接部和/或铜端子的表面附着一层细密的合金钎料层；所述合金钎料由中间合金SnAg、SnCu、SnIn或SnBi中的至少两种配制形成，通过加热使投入在合金钎料槽中的合金钎料融熔成液态；
步骤S3：定位装夹，通过夹具将高频数据线的各根铜线焊接部分别压置于高频数据线接口中的各对应铜端子之上，组成待焊组件，并定位装夹于超声焊接设备，并使超声焊接设备的超声焊头压接夹具、铜线焊接部或电路铜基板；
步骤S4：超声钎焊，通过超声焊接设备对夹具、铜线焊接部或铜端子施加第一超声波，并将第一超声波的频率控制在14～100KHz、功率控制在10～30w、钎焊温度控制在100～287℃，使各铜线焊接部分别与对应的铜端子在100～287℃的温度环境下完成超声钎焊，第一超声波的作用时间控制在0.5～6s；
步骤S5：形成冶金共晶相，超声钎焊过程中，在各铜线焊接部、合金钎料和各铜端子均未达到其融熔温度的前提下，利用超声波空化效应去除铜表面氧化膜，同时利用空化效应产生高温高压促使铜线焊接部与合金钎料之间、铜端子与合金钎料之间产生化学反应并形成冶金共晶相层，冶金共晶相层是铜线焊接部与铜端子之间的焊接层。
6.根据权利要求5所述的高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：
所述步骤S4中，将超声焊接设备的超声焊接头设计成所述夹具的上部，并在超声焊接头的底面设计若干凹槽，用于压接高频数据线接口的各个铜线焊接部，在超声钎焊过程中，超声焊接头产生的超声波直接传导至各个铜线焊接部；
并将第一超声波的频率控制在19～81KHz、功率控制在15～20w、钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s，使铜线焊接部与合金钎料之间、合金钎料、合金钎料与电路铜基板之间分别形成冶金结合；
所述合金钎料选用Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.5Cu8In、Sn3.5Ag8In、Sn3.5Ag1Bi4In或Sn3.5Ag1Bi8In中的一种。
7.根据权利要求5所述的高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：通过加热元件加热超声焊接头，加热元件的温度控制在400～550℃或加热待焊组件，使铜线焊接部、合金钎料与电路铜基板在超声钎焊过程中的温度控制在150～280℃；
所述步骤S4中，在所述超声钎焊过程中，将第一超声波的频率控制在20±1KHz、40±1KHz、60±1KHz或80±1KHz，将第一超声波的功率控制在15～20w、将待焊组件的钎焊温度控制在150～280℃，第一超声波的作用时间控制在0.5-1s。
8.根据权利要求5所述的高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：
所述步骤S1：使用超声刀剥除高频数据线中的各根铜导线末端部的外皮；
所述步骤S2中，通过内置的加热元件加热合金钎料，或者通过外置的加热元件加
热合金钎料槽，使合金钎料融熔成液体形态，并将所述第二超声波传导到液态的合金钎料中，同时连续缓慢搅拌合金钎料，在超声搅拌条件下进行超声浸钎；
所述步骤S4中，在超声钎焊过程中，在撤除第一超声波后，控制超声焊接头保持压接各个铜线焊接部3～7s。
9.根据权利要求5所述的高频数据线接口中的铜导线与铜端子在大气条件下无助焊剂超声低温钎焊方法，其特征在于：
所述步骤S2：在超声浸钎过程中，使铜线焊接部或铜端子在液态合金钎料中晃动、抖动或来回移动；在对铜端子进行超声浸钎前，铜端子定位固定于高频数据线接口中的基体，先使用隔热片、隔热膜或隔热涂层将铜端子除外的基体封闭起来，形成用于隔离合金钎料的屏蔽体，再将基体固定有铜端子的一端浸入合金钎料槽中。
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