TWI381900B - Metal bonding structure and joining method thereof - Google Patents

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Yuan Li Chuang
Yau Hung Chiou
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Chenming Mold Ind Corp
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Description

金屬接合結構及其接合方法
本發明是有關於一種金屬結合結構及其接合方法，特別是指一種藉由金屬噴射方式設置介質層以接合兩金屬件之金屬結合結構及其接合方法。
目前精密金屬之結合焊接，為達到較高之結合強度，常採用較高溫度之硬焊(Brazing)方式，以擴散接合的進行兩金屬件之間的結合。(一般軟焊之焊接溫度在攝氏450度以下，其係低熔點之錫鉛為焊料，其結合強度較差)。
然而，硬焊接合方式存在以下的缺點。由於硬焊接合的方式為高溫熔接，會於接合處形成一熱影響區域(heat-affected zone)。此熱影響區域內之微結構受高溫影響而產生金屬間化合物(intermetallic compunds)。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種金屬接合結構及其接合方法，以解決溶接困難或無法溶接之問題。
根據本發明之目的，提出一種金屬接合結構，包含一第一金屬件、一第二金屬件、一介質層及一焊料層。第二金屬件位於第一金屬件之一側。第一金屬件可為任何種類之金屬材質所製成，例如銅金屬、鋁合金、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金，第二金屬件可以任何種類之 金屬材質所製成，例如鋁金屬、鎂金屬、鋁合金、鎂合金。介質層則以金屬噴射之方式設置於第一金屬件或第二金屬件之一側，或第一及第二金屬件之對接面，且介質層之材質係以銅金屬或銅合金所製成。焊料層則位於第一金屬件及第二金屬件之間，藉由焊料層及介質層接合第一金屬件及第二金屬件，且該焊料層之工作溫度係為攝氏150至300度。
其中，金屬噴射方式係為一電弧熔射、一火燄線材熔射、一火燄粉末熔射、一高速火焰熔射、一大氣電漿熔射或一音速粉末噴射。
其中，第一金屬件及第二金屬件可於一預設壓力下進行接合，且預設壓力大於或等於10kgf/cm2。
其中，介質層之金屬顆粒大小可小於50um。
其中，介質層之厚度為5μm至100μm。
其中，介質層之材質可為銅金屬、鎳金屬、錫金屬或其合金所製成。
其中，焊料層的厚度可為5μm至100μm。
根據本發明之另一目的，提出一種金屬接合方法，包含下列步驟。首先，提供一第一金屬件及一第二金屬件。接著，藉由一金屬噴射方式設置一介質層於第一金屬件或第二金屬件之一側，且介質層之材質可為銅金屬、鎳金屬、錫金屬或其合金所製成，且該焊料層之工作溫度係為攝氏150至300度。
承上所述，依本發明之金屬接合結構及其接合方法，可藉由將介質層以金屬噴射之方式設置於第一金屬件或第二金屬件之一側後，再藉由焊料層以快速低溫之方式完成第一金屬件及第二金屬件之接合，而可避免形成金屬間化合物，導致機械性能下降。
請參閱第1圖及第2圖，其係為本發明之金屬接合結構之第一結構示意圖及第一結構剖視圖。圖中，金屬接合結構包含一第一金屬件11、一第二金屬件12、一介質層13及一焊料層14。
第一金屬件11可為任何金屬材質所製成。例如，金屬材質可以銅金屬、鋁金屬、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金等輕金屬(比重小於5，或稱有色金屬)來實施。此外，第一金屬件11可為板體或塊體。
第二金屬件12可為任何金屬材質所製成。例如，金屬材質可以鋁金屬、鎂金屬、鋁合金或鎂合金等輕金屬來實施。此外，第二金屬件12可為板體或塊體。
介質層13之材質則可為銅金屬、鎳金屬、錫金屬或其合金所製成。介質層13則可使其呈現金屬熔滴之狀態，而由一噴嘴(圖未示)以動能加工法，如金屬噴射之方式噴塗第二金屬件12之一側，於冷卻沉積後所形成。此外，介質層亦可噴塗於第一金屬件11之一側，如第3圖所示及第4圖所示。於噴射過程中，可同時噴射一保護氣氛，如氬氣(Ar)等惰性氣體，用以保護介質層13不被氧化，以確保作業品質。其中，金屬噴射方式可為一電弧熔射 (arc melting spray)、一火焰線材熔射(wire flame spray)、一火焰粉末熔射(powder frame spray)、一高速火焰熔射(high velocity oxy-fuel,HOVF)、一大氣電漿熔射(atmosphere plasma spray,APS)或一音速粉末噴射。介質層之金屬顆粒大小可小於50μm，而其厚度可為5μm至100μm。
焊料層14則可以無鉛焊料來實施，其可用以焊接第一金屬件11或第二金屬件12。焊料層14之工作溫度約為150度至300度之間。其中，焊料層14亦可作為一潤濕劑，以提升接著性。其中，焊料層14的厚度可為5μm至100μm。
當介質層13塗佈設置完成後，藉由加溫焊料層14至其預設之工作溫度，並藉由施加一預設壓力，約為攝氏150度至攝氏300度以壓合第一金屬件11及第二金屬件12，藉由消除第一金屬件11及第二金屬件12之間的孔隙，以緊密接合第一金屬件11與第二金屬件12。由於在接合過程中均是於相對低溫下進行，因此於接合過程中將可避免金屬間化合物(intermetallic compunds)的產生使本發明之金屬接合結構具有較佳的結構強度及導熱性能，而可用以製造散熱器或導線線材，如以銅鋁合金所製成之電氣接頭結構。
其中，本發明之金屬接合結構亦可藉由重複施工的方式而形成多重結構。
請參閱第5圖，其係為本發明之金屬接合方法，包含下列 步驟。
S11：提供一第一金屬件及一第二金屬件。
S12：藉由一金屬噴射方式設置一介質層至第一金屬件或第二金屬件之一側，且介質層之材質係為銅金屬或銅合金所製成。
S13：提供一焊料層。
S14：藉由焊料層及介質層，接合第一金屬件及第二金屬件。
其中，第一金屬件可為銅金屬、鋁金屬、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金等輕金屬(比重小於5，或稱有色金屬)所製成，且第一金屬件可為板體或塊體。
第二金屬件可為銅金屬、鋁金屬、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金等輕金屬所製成，且第二金屬件可為板體或塊體。
介質層之材質則可為銅金屬、鎳金屬、錫金屬或其合金所製成。此外，金屬噴射方式可為一電弧熔射、一火焰線材熔射、一火焰粉末熔射、一高速火焰熔射、一大氣電漿熔射或一音速粉末噴射。於噴射過程中，可同電子送件版.zip時噴射一保護氣氛，如氬氣(Ar)等惰性氣體，用以保護介質層不被氧化，以確保作業品質。介質層之金屬顆粒大小可小於50μm，厚度可為5μm至100μm。
焊料層則可為無鉛焊料，其可用以焊接第一金屬件或第 二金屬件。焊料層之工作溫度約為攝氏150度至攝氏300度之間。其中，焊料層亦可作為一潤濕劑，以提升接著性。此外，焊料層的厚度可為5μm至100μm。
此外，第一件屬件及第二金屬件可於常壓下進行接合，或於一預設壓力下進行接合。其中，預設壓力約為大於或等於10kgf/cm2，可用以消除第一金屬件及第二金屬件之間的孔隙。
綜上所述，本發明之金屬接合結構及其接合方法，其功效在於可因避免於接合處上形成金屬間化合物，以維持結構強度。
本發明之金屬接合結構及其接合方法，其另一功效在於製造出符合高導熱性應用之需求，如製造熱傳遞工件。
本發明之金屬接合結構及其接合方法，其再一功效在於可於相對低溫下完成接合作業，而可加快接合之加工速度。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
11‧‧‧第一金屬件
12‧‧‧第二金屬件
13‧‧‧介質層
14‧‧‧焊料層
S11~S14‧‧‧步驟流程
第1圖係為本發明之金屬接合結構之第一結構示意圖；第2圖係為本發明之金屬接合結構之第一結構剖視圖；第3圖係為本發明之金屬接合結構之第二結構示意圖；第4圖係為本發明之金屬接合結構之第二結構剖視圖；及第5圖係為本發明之金屬接合方法之步驟流程圖。
11‧‧‧第一金屬件
12‧‧‧第二金屬件
13‧‧‧介質層
14‧‧‧焊料層

Claims (16)

  1. 一種金屬接合結構，包含：一第一金屬件，係以銅金屬、鋁金屬、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金所製成；一第二金屬件，位於該第一金屬件之一側，且該第二金屬件係以鋁金屬、鎂金屬、鋁合金或鎂合金所製成；一介質層，係以一金屬噴射之方式設置於該第一金屬件或該第二金屬件之一側，該介質層之材質係以銅金屬、鎳金屬、錫金屬、銅合金、鎳合金或錫合金所製成；及一焊料層，位於該第一金屬件及該第二金屬件之間，藉由該焊料層及該介質層接合該第一金屬件及該第二金屬件，且該焊料層之工作溫度係為攝氏150至300度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該金屬噴射方式係為一電弧熔射、一火焰線材熔射、一火焰粉末熔射、一高速火焰熔射、一大氣電漿熔射或一音速粉末噴射。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該第一金屬件及該第二金屬件係於一預設壓力下進行接合，該預設壓力係大於或等於10kgf/cm2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該介質層之金屬顆粒大小係小於50μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該介質層之厚度為5μm至100μm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該焊料層之厚度係為5μm至100μm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該第一金屬件係為板體或塊體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬接合結構，其中該第二金屬件係為板體或塊體。
  9. 一種金屬接合方法，包含下列步驟：提供一第一金屬件及一第二金屬件，該第一金屬件係以銅金屬、鋁金屬、鎂金屬、銅合金、鋁合金或鎂合金所製成，該第二金屬件係以鋁金屬、鎂金屬、鋁合金或鎂合金所製成；藉由一金屬噴射方式設置一介質層至該第一金屬件或該第二金屬件之一側，且該介質層之材質係為銅金屬鎳金屬、錫金屬、銅合金、鎳合金、錫合金所製成；提供一焊料層；及藉由該焊料層及該介質層接合該第一金屬件及該第二金屬件，且該焊料層之工作溫度係為攝氏150至300度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該金屬噴射方式係為一電弧熔射、一火焰線材熔射、一火焰粉末熔射、一高速火焰熔射、一大氣電漿熔射或一音速粉末噴射。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，係於一預設壓力下接合該第一金屬件及該第二金屬件，該預設壓力係大於或等於10kgf/cm2。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該介質層之金屬顆粒大小係小於50μm。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該介質層之厚度為5μm至100μm。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該焊料層之厚度為5μm至100μm。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該第一金屬件係為板體或塊體。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之金屬接合方法，其中該第二金屬件係為板體或塊體。
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