CN109396588A - 液态金属在去除铝或铝合金表面氧化膜上的应用及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液态金属在去除铝或铝合金表面氧化膜上的应用及其方法；本发明提供的一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，具体包括如下步骤：1)将去除剂涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物；2)添加铝钎料，进行焊接工序；再使用清洗剂清洗焊接面，即可。本发明所述的方法能在较低温度下即可去除铝材表面的氧化膜，从而可以快速地去除铝材表面难熔的氧化膜，增强铜铝异种金属的润湿性，减少高温操作以及强腐蚀性助焊剂对铝材的腐蚀。

Description

液态金属在去除铝或铝合金表面氧化膜上的应用及其方法
技术领域
本发明涉及一种铝材表面处理领域，尤其涉及一种处理纯铝、铝合金表面氧化膜的方法。
背景技术
铝及铝合金具有一些铜材料无法比拟的优势，比如铝在地壳中的含量远高于铜，提取方法简单易行，因而在市场上金属铝的价格远低于铜；再者，铝的密度为2.7g/cm3，铜的密度为8.96g/cm3，仅为其1/3，所以在相同的体积下，铝材料的质量远低于铜材料。同时，铝及铝合金的导电导热性能良好，有利于焊接接头的电传导及散热。但是铝的广泛应用依赖于焊接技术的发展，铜与铜的焊接很容易实现，这是由于铜的氧化膜较容易去除。但在实际应用中经常会遇到铝-铝、铜-铝的焊接。铜铝连接方式目前主要是采用焊接工艺连接，主要的焊接工艺有铝/铜熔化焊、铝/铜压焊、铝/铜摩擦焊、铝/铜爆炸焊、铝/铜超声波焊接、铝/铜电容储能焊、铝/铜扩散焊、铝/铜电阻焊、铝/铜钎焊等方式。
铜铝异种连接一直是电子焊接领域的一大难题，一直都没有得到很好的解决，尤其是软钎焊方面，这是由于铝与铜焊接属异种金属的焊接，两者之间存在较大的物理及化学性能上的差异，铝在空气中容易氧化形成致密难熔的氧化膜，阻碍了焊料的进一步浸润，焊接时如不能及时除去此氧化层，焊后产生气孔、皱皮、断裂、拉力强度低等缺陷。在去除铝表面的氧化膜层方法中主要采用的活性较高的铝助焊剂，在钎焊温度下铝助焊剂发挥其活性与铝氧化层发生反应使金属铝露出，铝钎料才能与露出的金属铝反应从而达到焊接效果。但目前使用的铝助焊剂大多为呈较强的酸性或碱性，会对铝材有一定的腐蚀，且一般使用温度也较高，对设备、器件的可靠性提出了更高的挑战性。
综上所述，目前在铝及铝合金表面氧化膜去除研究领域，很难找到一种在较低钎焊温度下去除铝及铝合金表面氧化膜的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供液态金属在去除铝或铝合金表面氧化膜上的应用；其中，所述液态金属为金属镓或镓合金或金属镓的衍生物。
本发明主要是针对于焊接铝或铝合金的连接，快捷、高效去除铝或铝合金上的氧化膜，尤其是含铝或铝合金的异种连接；具体的，本发明所述的应用是为铜-铝连接或铝-铝连接的焊接工序前的铝或铝合金表面氧化膜的去除。
其中，所述金属镓的衍生物具体指含有镓元素的化合物，例如氧化镓、氢氧化镓等。
本发明可选的，所述镓合金具体为：镓铝合金、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种。本发明所述的液态金属主要以镓为主要组分部分，镓元素可以显著降低铝合金的电位，并且由于其熔点很低，且易与其它合金形成低共熔化合物，在铝表面形成活性点，使铝合金活化，从而达到快速去除铝及铝合金表面氧化膜的目的，以利于铝钎料与裸露的铝或铝合金在钎焊温度下发生反应达到焊接效果。尤其优选采用镓铝合金，镓锡合金、镓锌合金
尤其是当所述镓合金中镓的重量百分比为不低于60wt％时，其去除效果显著；当所述镓合金中镓的重量百分比为85～95wt％时，效果更优；最优选为90wt％。
本发明可选的，所述液态金属的使用量为所述铝或铝合金重量的0.05wt％～10.0wt％，优选为0.1～2wt％。本发明还提供了一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，具体为：将去除剂涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；然后使用清洗剂清洁即可；
其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物。
本发明可将去除氧化膜与后续的焊接工序相结合，进一步简化工序。
所述方法包括如下步骤：
1)将去除剂涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；
其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物；
2)添加铝钎料，进行铜-铝或铝-铝的焊接工序；再使用清洗剂清洗焊接面，即可。
其中，所述铝钎料为市售的焊接铝材用的铝钎料。
本发明可选的，所述去除剂中，金属镓或镓合金或金属镓的衍生物的含量不低于0.05wt％；优选为0.5～4.5wt％。
去除剂的其他组成为能与所述液态金属混合材料。例如市售的焊接铝材用的铝钎料、市售的焊接铝材用的铝助焊剂等。
其中，优选为粘度不低于1.8厘泊的铝助焊剂；该种铝助焊剂更易使所述去除剂混合充分。
其中，当去除剂的其他组成为铝钎料时，金属镓或镓合金或金属镓的衍生物的含量不低于0.05wt％；优选为0.5～2.5wt％。
本发明可选的，所述镓合金为镓铝合金、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种；
优选的，所述镓合金中镓的含量为不低于60wt％。
更优选的，所述镓合金中镓的含量为85～95wt％。
本发明可选的，所述去除剂以0.05×10-2～8.0×10-2g/mm2的使用量涂敷在所述铝或铝合金的表面；
即，以所述铝或铝合金的单面面积(长、宽均为1mm的面积)为计算单位，每单位面积涂覆0.05×10-2～8.0×10-2g的去除剂。优选为0.2×10-2～0.3×10-2g/mm2；最优选为0.25×10-2g/mm2。
优选的，所述去除剂为金属镓或镓合金或金属镓的衍生物中的一种与助焊剂的组合；其中，所述金属镓或镓合金或金属镓的衍生物占所述去除剂重量的0.05wt％～10.0wt％，优选为0.2wt％～0.8wt％，最优选为0.5wt％。
本发明提供一种优选方案，所述方法包括如下步骤：
1)将去除剂按单位面积0.2×10-2～0.3×10-2g/mm2的用量涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；
其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物与铝助焊剂；所述金属镓或镓合金或金属镓的衍生物占所述去除剂重量百分比的0.5～4.5wt％；所述铝助剂及的粘度不低于1.8厘泊；
2)添加铝钎料，进行铜-铝或铝-铝的焊接工序；再使用清洗剂清洗焊接面，即可。
本发明可选的，所述清洗剂为乙醇溶液、酸性溶液或进行溶液；例如乙醇溶液、HCl溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液、NaHCO3溶液。
本发明利用镓元素对铝的腐蚀性，将金属镓或镓基合金或金属镓的衍生物作为去除铝材表面的反应物质，能在较低温度下即可与铝材氧化膜发生腐蚀反应，从而可以快速地去除铝材表面难熔的氧化膜，增强铜铝异种金属的润湿性，减少高温操作以及强腐蚀性助焊剂对铝材的腐蚀。
附图说明
图1为实施例1处理后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图；
图2为实施例2处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图；
图3为对比例1处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图；
图4为实施例3处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图；
图5为实施例4处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图；
图6为实施例5处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，包括如下步骤：
1)将去除剂按单位面积为0.25×10-2g/mm2的用量涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面至40℃，使其金属镓在所述表面熔化；
其中，所述去除剂包括金属镓和粘度为3.5里泊的铝助焊剂；
2)添加铝钎料Sn-9Zn合金，加热至200℃，进行铜-铝焊接工序；再使用0.5％质量分数的NaOH溶液清洗焊接面，即可。
图1为本实施例处理后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
从图1可以看出，使用金属镓在40℃的低温下处理铝片后，铝片表面的氧化膜被去除后熔化的铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上能快速铺展。
实施例2
本实施例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，包括如下步骤：
1)将去除剂与铝钎料Sn-9Zn合金混合后，放置在铝或铝合金的表面；
其中，所述去除剂为镓铝合金，所述镓铝合金中镓的含量为95wt％；所述镓铝合金占所述铝钎料重量百分比的0.5wt％；
2)加热至200℃，进行铜-铝焊接工序；再使用0.5％质量分数的Na2CO3溶液清洗焊接面，即可。
图2为本实施例处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
实施例3
本实施例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，包括如下步骤：
1)将去除剂按单位面积为0.5×10-2g/mm2的用量涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面至60℃，使其金属镓在所述表面熔化；
其中，所述去除剂包括镓铝合金(Ga-0.6Al)和粘度为2.1厘泊的铝助焊剂，所述镓铝合金中镓的含量为99.4wt％；所述镓铝合金占所述去除剂重量百分比的1.5wt％。
2)添加铝钎料Sn-9Zn合金，加热至200℃，进行铜-铝焊接工序；再使用无水乙醇溶液溶液清洗焊接面，即可。
图4为本实施例处理后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
实施例4
本实施例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，包括如下步骤：
1)将去除剂按单位面积为0.50×10-2g/mm2的用量涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面使其金属镓在所述表面熔化；
其中，所述去除剂包括镓铝合金和粘度为10.0厘泊的铝助焊剂，所述镓铝合金中镓的含量为90wt％；所述镓铝合金占所述去除剂重量百分比的1.0wt％；
2)添加铝钎料Sn-9Zn合金，加热至200℃，进行铜-铝焊接工序；再使用0.10mol/L的HCl溶液溶液清洗焊接面，即可。
图5为本实施例处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
实施例5
本实施例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，包括如下步骤：
1)将去除剂按单位面积为1.50×10-2g/mm2的用量涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面使其金属镓在所述表面熔化；
其中，所述去除剂包括镓铝合金和粘度为10.0厘泊的铝助焊剂，所述镓铝合金中镓的含量为90wt％；所述镓铝合金占所述去除剂重量百分比的4.5wt％；
2)添加铝钎料Sn-9Zn合金，加热至200℃，进行铜-铝焊接工序；再使用0.5％质量分数的NaHCO3溶液清洗焊接面，即可。
图6为本实施例处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
对比例1
本对比例提供一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，与实施例2的区别在于，所述去除剂中仅有铝助焊剂，不包含镓铝合金。
图3为本对比例处理铝表面后铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上的润湿效果图。
从图2和图3的对比结果可以看出，在铝助焊剂中添加微量的Ga元素后，熔化的铝钎料Sn-9Zn合金在1060纯铝片上能快速铺展，而未添加Ga元素的铝助焊剂则不能在1060纯铝片上铺展润湿。结果说明使用金属镓或镓基合金或金属镓衍生物作为去除剂，在较低的温度下即可快速去除铝及铝合金表面的氧化膜，增强了铜铝异种金属的润湿性，减少了高温操作以及强腐蚀性助焊剂对铝材的腐蚀。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.液态金属在去除铝或铝合金表面氧化膜上的应用；其中，所述液态金属为金属镓或镓合金或金属镓的衍生物。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述去除为铜-铝连接或铝-铝连接的焊接工序前的铝或铝合金表面氧化膜的去除。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述镓合金具体为：镓铝合金、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，所述镓合金中镓的含量不低于60wt％；
优选的，所述镓合金中镓的含量为85～95wt％。
5.一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，其特征在于，具体为：将去除剂涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；然后使用清洗剂清洁即可；
其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物。
6.一种低温下去除铝或铝合金表面氧化膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将去除剂涂敷在铝或铝合金的表面，加热所述表面，使其去除剂在所述表面熔化；
其中，所述去除剂中包括金属镓或镓合金或金属镓的衍生物；
2)添加铝钎料，进行焊接工序；再使用清洗剂清洗焊接面，即可。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述去除剂中，金属镓或镓合金或金属镓的衍生物的含量不低于0.05wt％；优选为0.5～4.5wt％；
更优选的，所述去除剂还包括铝助焊剂，所述铝助焊剂的粘度不低于1.8厘泊。
8.根据权利要求5～7任一项所述的方法，其特征在于，所述镓合金为镓铝合金、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种；
优选的，所述镓合金中镓的含量为60wt％以上；更优选的，所述镓合金中镓的含量为85～95wt％。
9.根据权利要求5～8任一项所述的方法，其特征在于，所述去除剂按单位面积为0.05×10-2～8.0×10-2g/mm2的使用量涂敷在所述铝或铝合金的表面，优选为0.2×10-2～0.3×10-2g/mm2；最优选为0.25×10-2g/mm2。
10.根据权利要求5～9任一项所述的方法，其特征在于，所述清洗剂为乙醇溶液、酸性溶液或进行溶液；
优选的，所述清洗剂选自乙醇溶液、HCl溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液、NaHCO3溶液中的一种或多种。
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