CN115255532A - 铜材与铝材的钎焊方法及其制备的钎焊组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜材与铝材的钎焊方法及其制备的钎焊组件；该钎焊方法包括以下步骤：提供铝材以及铜材；在铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂，氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4；以及将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合，得到组装件，向组装件施加0.001MPa‑0.1MPa的压力，然后置于保护性气氛下在540℃‑580℃的温度下进行钎焊。该钎焊方法避免了镀镍以及锡焊，且能在更低压强和温度下进行，由钎焊方法制得的钎焊组件具有优异的散热性能以及剪切性能。
Description
技术领域
本发明涉及钎焊技术领域，特别是涉及铜材与铝材的钎焊方法及其制备的钎焊组件。
背景技术
随着电动车的普及，自动驾驶技术得到了越来越广泛的应用，自动驾驶芯片的运算速度越来越快，运算过程中产生热量也随之增加；为了使自动驾驶芯片稳定、可靠的运行，对于自动驾驶芯片的散热提出了更高的要求。传统汽车中芯片的散热大多采用铝合金散热器，为了进一步提高散热效率，通常在铝合金散热器上加装铜块；然而，由于铜材和铝材的连接属于异种材料连接，且二者物理性质差异较大，形成致密可靠的连接难度较大。
目前，铜材与铝材的钎焊方法通常是在氮气气氛保护的连续式钎焊炉中进行，由于铝材表面存在致密的氧化膜，在钎焊过程中会阻碍熔融钎料的润湿铺展，导致铜材与铝材无法焊接。为了使铜材与铝材顺利焊接，传统方法是在铝材的表面镀镍，然后与铜材贴合进行锡焊，然而，锡焊具有强度低、导热性差、成本高等缺点，导致制得的钎焊组件剪切强度以及散热性能不足。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种铜材与铝材的钎焊方法及其制备的钎焊组件，该钎焊方法避免了镀镍以及锡焊，能在更低压强和温度下进行，由该钎焊方法制得的钎焊组件具有优异的散热性能以及剪切性能。
本发明提供了一种铜材与铝材的钎焊方法，包括以下步骤：
提供铝材以及铜材；
在所述铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂，所述氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4；以及
将所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面贴合，得到组装件，向所述组装件施加0.001MPa-0.1MPa的压力，然后置于保护性气氛下在540℃-580℃的温度下进行钎焊。
在一实施方式中，将所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面贴合的步骤中，所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面之间还层叠设置有中间层，所述中间层的材料选自铝合金。
在一实施方式中，所述中间层的材料选自4系铝合金；及/或，所述中间层的厚度为0.01mm-0.4mm。
在一实施方式中，所述CsAlF4的用量为5g/m2-10g/m2。
在一实施方式中，所述氟铝酸盐钎剂中还包括有KAlF4。
在一实施方式中，所述KAlF4的用量小于或等于10g/m2。
在一实施方式中，所述铝材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm，及/或，所述铜材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm。
在一实施方式中，所述铝材的材料选自1系铝、3系铝合金或6系铝合金；
及/或，所述铜材的材料选自紫铜。
一种钎焊组件，由如上述的铜材与铝材的钎焊方法制得。
一种如上述的钎焊组件的应用，所述钎焊组件用于固定或可移动制冷设备的冷却器的一部分，或者，用于固定热交换器的一部分。
本发明提供的铜材与铝材的钎焊方法，由于氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4，铜材、铝材与CsAlF4能够形成共晶，从而使氟铝酸盐钎剂能够在0.001MPa-0.1MPa以及540℃-580℃条件下，即可去除铝材表面以及铜材表面的氧化膜，增大了钎缝的结合面积，进而避免了镀镍以及低熔点的金属焊料的使用，降低原料成本，简便生产工序。另外，由于避免了锡焊，本发明提供的铜材与铝材的钎焊方法制得的钎焊组件具有优异的散热性能以及剪切性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供的铜材与铝材的钎焊方法，包括以下步骤：
S10，提供铝材以及铜材；
S20，在铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂，氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4；
以及
S30，将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合固定，得到组装件，向组装件施加0.001MPa-0.1MPa的压力，然后置于保护性气氛下在540℃-580℃条件下进行钎焊。
本发明提供的铜材与铝材的钎焊方法中，由于氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4，铜材、铝材与CsAlF4能够形成共晶，从而使氟铝酸盐钎剂能够在0.001MPa-0.1MPa以及540℃-580℃条件下，即可去除铝材表面以及铜材表面的氧化膜，增大了钎缝的结合面积，进而避免了镀镍以及低熔点的金属焊料的使用，降低原料成本，简便生产工序。
步骤S10中，铝材的材料选自1系铝、2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金、8系铝合金或9系铝合金，优选的，铝材的材料选自1系铝、3系铝合金或6系铝合金；在一实施方式中，铝材的厚度大于或等于0.1mm，包括但不限于0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、5mm。
为了使铝材与铜材由面接触转化为点接触，从而使向组装件施加的压力能够进一步降低，优选的，铝材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm，包括但不限于，铝材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm、1μm、2μm、3μm、3.5μm、4μm、5μm、6μm、6.4μm。
铜材的材料可选自紫铜、黄铜、白铜或青铜，为了更好的提高钎焊组件的散热性能，优选的，铜材的材料选自紫铜；在一实施方式中，铜材的厚度为大于或等于0.01mm，包括但不限于0.02mm、0.04mm、0.05mm、0.07mm、0.08mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、3mm、4mm、5mm。
为了使铝材与铜材由面接触转化为点接触，从而使向组装件施加的压力能够进一步降低，优选的，铜材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm，包括但不限于，铜材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm、1μm、2μm、3μm、3.5μm、4μm、5μm、6μm、6.4μm。
在一实施方式中，提供的铝材以及铜材进行脱脂去油污处理，具体的，采用碱洗的方式进行脱脂去油污处理。
步骤S20中，为了更好的进行钎焊，在一实施方式中，CsAlF4的用量为5g/m2-10g/m2，包括但不限于，CsAlF4的用量为5g/m2、6g/m2、7g/m2、8g/m2、9g/m2或10g/m2。
在一实施方式中，氟铝酸盐钎剂中还包括有KAlF4，优选的，KAlF4的用量小于或等于10g/m2，包括但不限于，KAlF4的用量为1g/m2、2g/m2、3g/m2、4g/m2、5g/m2、6g/m2、7g/m2、8g/m2、9g/m2或10g/m2。
在一实施方式中，在铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂的步骤包括：在铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂的悬浮液，然后去除溶剂。
为了更好的使铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合固定，步骤S30包括：将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合，并用夹具进行固定。
当铝材的待焊表面或铜材的待焊表面的表面粗糙度提高，则将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合固定时，铝材的待焊表面与铜材的待焊表面接触面积会降低，向组装件施加的压力可以适当降低；相应的，当铝材的待焊表面或铜材的待焊表面的表面粗糙度降低，则将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合固定时，铝材的待焊表面与铜材的待焊表面接触面积会提高，向组装件施加的压力需要适当提高。
在一实施方式中，向组装件施加0.001MPa-0.1MPa的压力的步骤中，该压力施加于组装件的表面，并且垂直于铝材的待焊表面所在平面。
在一实施方式中，保护性气氛选自可选自氮气、氦气、氩气或氙气，优选的，保护性气氛选自氮气。
进行钎焊的步骤中，温度为540℃-580℃，包括但不限于，温度为540℃、550℃、560℃、565℃、570℃、575℃或580℃。应予说明的是，当CsAlF4的用量增加，进行钎焊的步骤中，温度可以较低，而当CsAlF4的用量降低，进行钎焊的步骤中，温度可以提高，在一实施方式中，CsAlF4的用量与温度满足以下条件：5g/m2：580℃-10g/m2：540℃，优选的，CsAlF4的用量与温度满足以下条件：5g/m2：570℃-10g/m2：560℃。
在一实施方式中，为了进一步降低钎焊过程中的温度，将铝材的待焊表面与铜材的待焊表面贴合的步骤中，铝材的待焊表面与铜材的待焊表面之间还层叠设置有中间层，中间层的材料选自铝合金；优选的，中间层的材料选自4系铝合金；中间层的厚度为0.01mm-0.4mm。
当铝材的待焊表面与铜材的待焊表面之间还层叠设置有中间层时，进行钎焊的步骤中，温度优选为540℃-560℃，包括但不限于，温度为540℃、550℃或560℃。
本发明还提供了一种钎焊组件，由上述的铜材与铝材的钎焊方法制得。
由于避免了锡焊，本发明提供的铜材与铝材的钎焊方法制得的钎焊组件具有优异的散热性能以及剪切性能。
本发明还提供了一种如上述的钎焊组件的应用，钎焊组件用于固定或可移动制冷设备的冷却器的一部分或固定热交换器的一部分。
以下，将通过以下具体实施例对铜材与铝材的钎焊方法及其制备的钎焊组件做进一步的说明。
实施例1
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为5g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合得到组装件，用夹具固定组装件并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至570℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例2
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为10g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至580℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例3
将铝合金散热器的待焊表面加工成表面粗糙度为1.6μm，且与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为7.5g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至575℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例4
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4以及KAlF4分散于水中得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为7.5g/m2，KAlF4的用量为2.5g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至580℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例5
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4以及KAlF4分散于水中得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为7.5g/m2，KAlF4的用量为10g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至570℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例6
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为7.5g/m2。
将铝材的待焊表面、厚度为0.1mm的4系铝合金以及铜材的第一表面依次贴合得到组装件，用夹具固定组装件并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至540℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例7
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污，铝合金散热器的待焊表面的表面粗糙度为1.8μm。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，铜材的待焊表面光滑，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为7.5g/m2。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至565℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
实施例8
将铝合金散热器的待焊表面加工成表面粗糙度为3.6μm，且与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材(紫铜)进行剪切、冲压加工成特定的形状，铜材的待焊表面光滑，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，钎剂悬浮液的用量为7.5g/m2，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至560℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
对比例1
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为10g/m2，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至530℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
对比例2
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将CsAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，CsAlF4的用量为10g/m2，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加0.001MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至590℃，保温后冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
对比例3
将铝合金散热器的待焊表面加工成与铜材大小形状相同的平面，然后对铝合金散热器的待焊表面进行脱脂去油污。
将铜材进行剪切、冲压加工成特定的形状，然后对铜材的第一表面进行脱脂去油污。
将KAlF4分散于水中，得到钎剂悬浮液，在铝合金散热器的待焊表面以及铜材的第一表面分别形成钎剂悬浮液，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂，KAlF4的用量为10g/m2，然后烘干去除钎剂悬浮液的溶剂。
将铝材的待焊表面与铜材的第一表面贴合，用夹具固定并施加10MPa的压力，然后置于气体保护钎焊炉中，在氮气保护下，加热至590℃并保温，590℃下出现溶蚀现象，冷却，完成钎焊，得到钎焊组件。
测试例
将实施例1-8以及对比例1-3制备得到的钎焊组件的导热系数以及剪切强度，具体的测试方法如下所示，测试结果如表1所示。
导热系数：使用稳态热流法测试钎焊组件的导热系数；
剪切强度：将钎焊组件制成国标GB/T 11363所要求的试样并测试剪切强度。
表1
| 导热系数(W/m·K) | 剪切强度(MPa) | |
| 实施例1 | 265 | 52 |
| 实施例2 | 253 | 49 |
| 实施例3 | 257 | 51 |
| 实施例4 | 248 | 48 |
| 实施例5 | 264 | 50 |
| 实施例6 | 265 | 54 |
| 实施例7 | 264 | 52 |
| 实施例8 | 267 | 54 |
| 对比例1 | 235 | 37 |
| 对比例2 | 229 | 33 |
| 对比例3 | 227 | 31 |
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种铜材与铝材的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供铝材以及铜材；
在所述铝材的待焊表面形成氟铝酸盐钎剂，所述氟铝酸盐钎剂至少包括CsAlF4；以及
将所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面贴合，得到组装件，向所述组装件施加0.001MPa-0.1MPa的压力，然后置于保护性气氛下在540℃-580℃的温度下进行钎焊。
2.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，将所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面贴合的步骤中，所述铝材的待焊表面与所述铜材的待焊表面之间还层叠设置有中间层，所述中间层的材料选自铝合金。
3.根据权利要求2所述的钎焊方法，其特征在于，所述中间层的材料选自4系铝合金；及/或，所述中间层的厚度为0.01mm-0.4mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述CsAlF4的用量为5g/m2-10g/m2。
5.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述氟铝酸盐钎剂中还包括有KAlF4。
6.根据权利要求5所述的钎焊方法，其特征在于，所述KAlF4的用量小于或等于10g/m2。
7.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述铝材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm，及/或，所述铜材的待焊表面的表面粗糙度为0.8μm-6.4μm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述铝材的材料选自1系铝、3系铝合金或6系铝合金；
及/或，所述铜材的材料选自紫铜。
9.一种钎焊组件，其特征在于，由如权利要求1-8任一项所述的铜材与铝材的钎焊方法制得。
10.一种如权利要求9所述的钎焊组件的应用，其特征在于，所述钎焊组件用于固定或可移动制冷设备的冷却器的一部分，或者，用于固定热交换器的一部分。
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