TW201318755A - 鋁銲料與其製備方法 - Google Patents

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Abstract

一種有鉛及無鉛銲錫與鋁合金結合方法，主要係對銲錫內部成份加入一定比例之合金及元素，並且鋁合金材料之表面處理並無一定要求，無行任何表面處理亦可施作，在一般作業環境下，即可將銲錫與鋁合金完成鍵結。在銲錫熔點溫度後，即可將希望接合之金屬或元件藉由鍚錫為接合介面，形成介金屬化合物(IMC)，穩固緊密的與鋁基材結合。

Description

鋁銲料與其製備方法
本發明係關於一種能與鋁合金材料銲接之銲錫配方與其銲接原理。
鋁材料在工業生產中有較廣泛的用途，鋁與異種金屬的連接有一定困難度，目前市場上存在之技術進入門檻高，不易量產，典型的應用點為高功率電子元件的散熱技術。
目前業界將鋁基材上銲錫之主要工序有：材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、後處理等工序。
目前業界要在鋁基材上焊接上焊錫，方式是必須要將鋁基材表面之氧化層去除，或將其去除後並電鍍一層鎳或其他容易焊接的金屬，這樣鋁才能順利與銲錫焊接在一起。
目前業界採用鋁焊接銲錫的產品最為嚴重的問題就是焊著率低或品質不穩定，從而其介面熱阻較高。
本發明配方及作法能在一般作業環境直接施作(class 100,000以上環境)，基材之表面處理非必要性(如電鍍鎳或其他化學處理)可大幅減少生產製造成本。
高功率元件，絕大多數最終散熱都是以鋁合金材料為最終散熱材，唯元件與鋁材之結合，大多以螺絲固定方式或是介面中塗摸導熱膠，唯此二方法皆有其缺點及風險。
鋁的導熱係數約為237瓦特/公尺絕對溫度(W/mK)，銅的導熱係數為約400W/mK，銀的導熱係數約429W/mK；銲錫的熱導係數範圍為60W/mK~70W/mK，導熱膠的熱導係數範圍為1W/mK~4W/mK。
故可看出導熱膠將成為熱傳導之最大瓶頸。
雖然銅的散熱比鋁佳，但是銅的比重比鋁大，重量比鋁重，並且銅的硬度不如鋁合金，在機械加工性能不如鋁，並且銅的熔點比鋁高，於擠壓成形有一定的難度等等問題。
銀的價格貴，在工業電子上之應用較銅來的少。
目前業界於散熱器的製造及應用，其最為常用的銅鋁合金結合方式螺絲鎖合及導熱膠的塗佈。
目前業界螺絲鎖合方法係在鋁材與銅材之間使用導熱膠，施加一定的壓力壓緊後用螺絲鎖緊，但導熱膠之熱阻、結合面的平整度及螺絲的扭力等各種因素，對於終端產產品之散熱效能皆有所影響。
目前業界在實際作業中，為了將銲錫上鋁基材，需將鋁基材加熱至一定溫度後，方可施作上錫作業，本法能在室溫環境中，直接上將焊錫與鋁基材熔合，可大幅節省作業時間及製造成本。
本發明之主要目的係提供一種不需要藉由表面處理(如電鍍)及熱處理方式能將鋁與銲錫接合/熔合方法，供後續應用端應用。
根據本發明的第一構想，提供一種焊料，在該焊料的每一公斤中包括：一第一成份，其係0.01莫耳以上的正一價氟離子；一第二成份，其係0.01莫耳以上的正三價鋁離子；以及一第三成份，其係0.01莫耳以上的負三價六氟化鋁離子。
根據本發明的第二構想，提供一種銲錫接合方法，該方法包括：製備一焊料，其每公斤具有0.01莫耳(mol)以上的正一價氟離子([F+])、0.01莫耳(mol)以上的正三價鋁離子([Al3+])與0.01莫耳(mol)以上的負三價六氟化鋁離子([AlF6]3-)；以及將該焊料與一金屬熔合。
較佳地，該金屬係一鋁合金。
較佳地，在將該焊料與該金屬熔合之後更包括一步驟：將欲與該金屬接合的一銅柱加熱至一銲錫熔點，在該銅柱的一欲接合面上塗布一層該焊料。
較佳地，所述銲錫接合方法更包括一步驟：將該金屬同步加熱至該銲錫熔點。
較佳地，在將該金屬同步加熱至該銲錫熔點之後，更包括一步驟：將該欲接合面放置並定位於該金屬。
較佳地，該金屬是一鋁基材，而製備該焊料之後，更包括一步驟：以電焊方式將該焊料焊接於該鋁基材。
較佳地，在以電焊方式將該焊料焊接於該鋁基材之後，更包括一步驟：加熱該鋁基材，待該焊料熔化後，將一銅柱放置於該焊料上以與該鋁基材於接合。
較佳地，該金屬是一鋁基材，而該方法更包括一步驟：以乙炔燒結該鋁基材、該焊料與一銅柱之後，於該鋁基材、該焊料與該銅柱冷卻前使其結合。
根據本發明的第三構想，提供一種焊料，其每一公斤中包括至少0.01莫耳的正一價氟離子、至少0.01莫耳的正三價鋁離子；以及至少0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子。
根據本發明的第四構想，提供一種製備銲錫的方法，包括：在每公斤的該銲錫中混合至少0.01莫耳的正一價氟離子、至少0.01莫耳的正三價鋁離子與至少0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子。
在錫料配製完畢之後，進行放料步驟：在室溫環境中，將欲焊接點放置本發明之錫料，接著進行焊接。
本發明相比先前技術具有如下優點：
1.)　便利性：只需將欲上銲錫之部位放上本發明配方錫料，即可進行焊接作業。
2.)　不受限鋁基材之種類：鋁合金種頪繁多；本法於1系列至6系列之鋁合金材料皆適用。
3.)　生產成本低廉：無需進行鋁基材之任何表面處理，亦無需建置特殊環境，即可進行焊接作業，省去導熱膠及機械加工程序。
4.)　熱阻小，散熱佳。
5.)　可重工：非一次性施作，如黏接之元件等需更换，不需整個鋁散熱基材一併丟棄，可加熱至銲錫之熔點後，將欲更換之元件移除，再接合新元件。
6.)　後端應用彈性佳。
任何能與焊錫熔合之元件，皆可藉由此法與鋁基材強力緊密接合(如銅、銀…等)。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。其中相同的標號始終代表相同的組件。
本發明之銲錫(或焊料)與鋁合金結合方法，主要通過本發明之銲錫與鋁合金直接熔合，供後續應用端之應用。
在本發明的一較佳實施例之中，本發明之銲錫除包含傳統銲錫之主要金屬成份外，在每一公斤銲錫中尚包括第一成份：0.01莫耳的正一價氟離子([F+])、第二成份：0.01莫耳的正三價鋁離子([Al3+])、以及第三成份：0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子([AlF6]3-)。
在每公斤的銲錫中混合至少0.01莫耳的正一價氟離子、至少0.01莫耳的正三價鋁離子與至少0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子以製備出本發明的銲錫。
第四圖係本發明銅鋁合金結合方法的銅鋁合金材料結合示意圖，該銅鋁合金結合方法主要包括以下步驟：
工法一：(請參考第一圖)
1.)　鋁合金上本發明之銲錫。
2.)　將本發明之銲錫與鋁合金熔合。
3.)　銅柱加熱至銲錫熔點，在欲接合面先上一層本發明之銲錫。
4.)　鋁合金同步加熱至鍚錫熔點。
5.)　欲接合面放置，定位，冷卻。
6.)　完成。
工法二：(請參考第二圖)
1.)　直接將焊料以電焊方式焊接於鋁基材上(電流5A以上)。
2.)　加熱鋁基材，待焊錫熔化後，即可將欲接合之金屬放置接合，定位冷卻。
3.)　完成。
工法三：(請參考第三圖)
1.)　用乙炔燒結鋁基材、焊料及欲結合之金屬(如銅)。
2.)　放置冷卻完成。
其中，各步驟所需條件如下：
一、表面粗糙度(Roughness,Ra)及加工條件：金屬接觸面越光滑，越能避免因空隙造成焊接不完全，進而影響接合應力。
二、應力(Stress,σ)：實驗結果應力為15Mpa以上。
三、處理溫度(Temperature,T)：依各類銲錫熔化溫度，約180~520度之間。
四、處理氣氛：一般作業環境，無需特殊氧化隔離氣體。
從以上特徵可知，本發明之銲錫應用於銅-銲錫-鋁合金結合有以下優點：
(1)結構及功能方面：對產品本身的結構設計不會有任何影響，並會進一步提昇產品的熱傳導性。
(2)製程及成本方面：無需任何重大投資，只需基礎焊接設備即可，同時可應用在廢品重工方面，降低製造成本。
(3)充分達到銅-銲錫-鋁結合的製程，由介面形成合金相的方式來降低熱阻，提高熱傳導性。
總結而言，本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
第一圖～第三圖係以本發明應用於銅-銲錫-鋁合金結合方法流程圖；
第四圖係本發明銅鋁合金結合方法的銅鋁合金材料結合示意圖。

Claims (10)

  1. 一種焊料，在該焊料的每一公斤中包括：一第一成份，其係0.01莫耳以上的正一價氟離子；一第二成份，其係0.01莫耳以上的正三價鋁離子；以及一第三成份，其係0.01莫耳以上的負三價六氟化鋁離子。
  2. 一種銲錫接合方法，該方法包括以下步驟：製備一焊料，其每公斤具有0.01莫耳(mol)以上的正一價氟離子([F+])、0.01莫耳(mol)以上的正三價鋁離子([Al3+])與0.01莫耳(mol)以上的負三價六氟化鋁離子([AlF6]3-)；以及將該焊料與一金屬熔合。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，該金屬係一鋁合金。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的方法，在將該焊料與該金屬熔合之後更包括一步驟：將欲與該金屬接合的一銅柱加熱至一銲錫熔點，在該銅柱的一欲接合面上塗布一層該焊料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，更包括以下步驟：將該金屬同步加熱至該銲錫熔點；以及將該欲接合面放置並定位於該金屬。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該金屬是一鋁基材，而製備該焊料之後，更包括一步驟：以電焊方式將該焊料焊接於該鋁基材。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，在以電焊方式將該焊料焊接於該鋁基材之後，更包括一步驟：加熱該鋁基材，待該焊料熔化後，將一銅柱放置於該焊料上以與該鋁基材於接合。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該金屬是一鋁基材，而該方法更包括一步驟：以乙炔燒結該鋁基材、該焊料與一銅柱之後，於該鋁基材、該焊料與該銅柱冷卻前使其結合。
  9. 一種焊料，其每一公斤中包括至少0.01莫耳的正一價氟離子、至少0.01莫耳的正三價鋁離子；以及至少0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子。
  10. 一種製備銲錫的方法，包括：在每公斤的該銲錫中混合至少0.01莫耳的正一價氟離子、至少0.01莫耳的正三價鋁離子與至少0.01莫耳的負三價六氟化鋁離子。
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