新型鎘銀高強(qiáng)度低溫焊料的研究與應(yīng)用*

過石正，付建徽，過希文

(1. 國營第零八七一總廠， 安徽 六安 237010； 2. 安徽大學(xué)， 安徽 合肥 230601)

新型鎘銀高強(qiáng)度低溫焊料的研究與應(yīng)用*

過石正1，付建徽1，過希文2

(1. 國營第零八七一總廠， 安徽 六安 237010； 2. 安徽大學(xué)， 安徽 合肥 230601)

在電子設(shè)備饋線系統(tǒng)的精密焊接領(lǐng)域，長期存在的難點是尋求到一種高焊縫強(qiáng)度與低焊接溫度兼容的焊料。文中針對可在400 ℃以下焊接并實現(xiàn)高強(qiáng)度的焊料展開深入的研究與分析。經(jīng)反復(fù)試驗與優(yōu)化篩選，以Cd占72%、Zn占19%、Ag占7%、Cu占2%的重量比作為該焊料的成份，利用相匹配的焊劑，采取特殊的熔煉工藝技術(shù)，滿足了饋源喇叭精密焊接技術(shù)要求。經(jīng)長期使用證實，該焊料具有焊接溫度低、焊縫強(qiáng)度高、焊縫質(zhì)量好、浸潤與流動性好、焊縫鍍銀性能優(yōu)異等特點。

饋源喇叭；高強(qiáng)度;低溫；鎘銀焊料

引 言

雷達(dá)等電子設(shè)備上都有大量的饋線系統(tǒng)，它是電子設(shè)備發(fā)射或接收電磁波的傳輸通道。由于傳輸通道上各零部件均經(jīng)精密加工成形，其尺寸公差、形位公差達(dá)到精密級6級以上，通常各傳輸通道間及通道本身的連接均采用精密焊接的形式，加之傳輸通道工作環(huán)境的特殊性，所以對焊接的連接強(qiáng)度要求很高；同時,為防止零部件在焊接過程中發(fā)生變形，要求焊接溫度低，否則焊接變形將直接影響?zhàn)伨€系統(tǒng)的電氣性能指標(biāo)[1]。因此，焊接饋線系統(tǒng)上的焊料需滿足低溫、高強(qiáng)度的要求。

饋源嗽叭是某雷達(dá)饋線系統(tǒng)中的核心組件，由銅材焊接成形,其焊接質(zhì)量直接影響到雷達(dá)的重要性能指標(biāo)。若采取普通的銀釬焊連接，則焊接溫度過高，其焊后變形大且無法消除；若采用膠接的方法連接，雖然不變形，但易老化，而且膠接強(qiáng)度偏低，表面不能鍍銀，因而不能滿足電性能要求；若采用錫焊的方法連接，雖然不變形，但焊接處鍍銀后發(fā)黑且焊接強(qiáng)度過低，也滿足不了導(dǎo)電性能要求[2]。經(jīng)研究，對該饋源喇叭采用高強(qiáng)度低溫焊料焊接工藝，既保證較高的焊接強(qiáng)度，又控制較低的焊接溫度，以減小焊接變形。對該焊料的性能要求包括：1)焊接溫度≤ 400 ℃，以控制焊體變形量(≤ 0.1 mm)；2)焊縫抗拉強(qiáng)度σb≥ 150 N/mm2，抗剪強(qiáng)度τ≥ 55 N/mm2，以滿足使用要求；3)焊接時具有較好的流動性及浸潤性；4)焊后焊縫處鍍銀工藝性好；5)焊縫外觀成形質(zhì)量美觀。

1 焊料元素分析與篩選

1.1 焊料元素分析

在參閱大量焊料文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，調(diào)研了多家著名焊料生產(chǎn)廠家，并到焊料科研院所實地采購了部份樣品，篩選出部份最佳的焊料用于模擬焊接試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沒有現(xiàn)成的焊料、焊劑、工藝能同時滿足上述技術(shù)指標(biāo)要求，其主要難點是高強(qiáng)度與低溫難以兼容[3]。在焊料領(lǐng)域，特別是在電子設(shè)備的精密焊接行業(yè)很難尋求到一種高強(qiáng)度與低溫相兼容的焊料，通常焊料的焊接溫度與焊接強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系見表1[4]。

表1 一般焊料的焊接溫度與焊接強(qiáng)度及本焊料特點

在查閱大量文獻(xiàn)資料與試驗的基礎(chǔ)上[2]，根據(jù)饋線系統(tǒng)對所需焊料的技術(shù)特性要求，對一些常用的低溫高強(qiáng)度焊料元素如鎘、銀、鋅、錫、銅、鋁、鉍等，有針對性地展開了篩選研究,如圖1所示[5]。

圖1 焊料的焊接強(qiáng)度與焊接溫度關(guān)系

從圖1可知,焊接銅材的饋源喇叭,重點應(yīng)從銀、銅、鎘、鋅等元素中選取,為兼顧焊接強(qiáng)度與焊接溫度的關(guān)系, 對常規(guī)銀銅焊料可降低銀、銅元素的百分比,增加鎘、鋅元素的百分比。從中反復(fù)篩選擇優(yōu)，同時進(jìn)行優(yōu)化組合，焊料元素總數(shù)不宜超過4種且易采購、易熔煉。經(jīng)過數(shù)次的工藝試驗，逐步形成了以Cd、Zn、Ag、Cu四元素為新型高強(qiáng)度低溫焊料的主要原材料。其中以鎘為基體的釬料具有很好的耐熱性和抗腐性能且熔點較低；含鋅的鎘基釬料溶解能力強(qiáng)，極易形成二元合金，從而提高強(qiáng)度和流動浸潤性能；而含銀、銅的鎘基釬料在低溫釬料中又具有較高的強(qiáng)度及好的導(dǎo)電性能，雖然塑性稍次于銀釬料，但其流動性及焊接工藝性好，在銅及銅合金上具有良好的漫流性及填滿間隙能力，適合于釬焊銅及銅合金的高頻元件,其釬焊后焊縫鍍銀性能良好。綜合以上特點，宜選取Cd、Zn、Ag、Cu四元素，作為新型高強(qiáng)度低溫焊料的主要原材料。

1.2 焊料配方篩選

在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對各元素間配比進(jìn)行篩選。先確定各元素重量百分比的大致范圍，以縮小試驗工作量, 然后按圖2和圖3增加銀、銅含量百分比,焊縫強(qiáng)度、焊接溫度均上升；增加鎘、鋅含量百分比,焊縫強(qiáng)度、焊接溫度均下降[4]。再對常規(guī)型號低溫高強(qiáng)度銀釬焊料配比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整(最佳的焊料配比如圖4所示)，以使焊接溫度≤ 400 ℃，焊縫抗拉強(qiáng)度σb≥ 150 N/mm2，抗剪強(qiáng)度τ≥ 55 N/mm2。

圖2 鎘、鋅含量與焊接強(qiáng)度關(guān)系圖

圖3 銀、銅含量與焊接強(qiáng)度關(guān)系圖

圖4 銀、銅、鎘、鋅含量與焊接強(qiáng)度關(guān)系圖

按照預(yù)期的焊接技術(shù)性能指標(biāo)要求，通過排列組合，制定工藝試驗方案。在此基礎(chǔ)上，開展大量的工藝試驗驗證，試驗采取順序漸進(jìn)的方式，根據(jù)前一試驗結(jié)果，摸索出焊料性能變化趨勢與發(fā)展規(guī)律，不斷修正元素配比，調(diào)整各元素的重量百分比后形成下階段試驗方案，并從中選取既滿足低溫焊接又實現(xiàn)高強(qiáng)度焊接要求的配比方案。通過反復(fù)試驗驗證優(yōu)化，最終得到最佳的四元素配比，即Cd占72%、Zn占19%、Ag占7%、Cu占2%。

工藝試驗證實，新型高強(qiáng)度低溫焊料配方的重量百分比區(qū)間范圍極其狹窄，四元素少量變化會使焊接強(qiáng)度與焊接溫度產(chǎn)生較大波動，控制各成份比例的要求極其嚴(yán)格，通常鎘、鋅、銀、銅的重量百分比控制在Cd 70.4%～73.6% 、Zn 18.6%～19.4%、Ag 6.8%～7.2%、Cu 1.9%～2.1%區(qū)間范圍內(nèi)。四元素不同比例的配方熔煉出的焊料，焊接效果的差異較大。

1.3 焊料匹配焊劑

使用新型鎘銀高強(qiáng)度低溫焊料時需要有專用焊劑才能滿足要求。對焊劑的要求是：其蒸發(fā)點要高于焊料的熔點，焊劑活性要強(qiáng)，浸潤性和流動性要好，覆蓋性大，排渣性好等。經(jīng)多次試驗，得出相匹配的最優(yōu)化焊劑配方的體積比為：氯化鋅，81%～83%；氯化鎘，9%～11%；氯化銨，7.5%～8.5%。

2 焊料

2.1 焊料制作過程

在實驗室中制作少量新型鎘銀高強(qiáng)度低溫焊料，可使用感量天平、陶瓷坩堝、坩堝鉗、(SX- 6-13)箱形爐、(KSY-12-16)溫度控制柜、電爐、不銹鋼容器、澆鑄角模、SWK-2溫度計等熔煉儀器設(shè)備，應(yīng)用以下工藝方法制備：

1)焊料成份配制。為熔煉需要，將鎘加工成5 mm × 20 mm × 20 mm的小塊狀，將鋅加工成5 mm × 10 mm × 10 mm的小塊狀，將銀加工成顆粒狀(直徑1mm、 長1 mm),將銅加工成粉末狀(直徑0.8 mm，長0.8 mm)。根據(jù)配制的焊料重量，按Cd 72%、Zn 19%、Ag 7%、Cu 2%的比例計算出4種成份的各自重量(其中鎘和鋅需增加適量的蒸發(fā)量)，取料，在天平上依次稱好，放在相應(yīng)的容器內(nèi)并作好標(biāo)記。

2)熔煉工藝。熔煉前，將配制好的各成份按銅、銀、鋅、鎘依次放入陶瓷坩堝內(nèi)，為了防止氧化燒損，可在最上面一層撒少許抗氧化劑。蓋上蓋子，用坩堝鉗將坩堝緩慢送入爐中，開啟箱形爐及溫度控制柜進(jìn)行熔煉。當(dāng)溫度升至325 ℃ ± 5 ℃時，鎘已開始熔化；升至420 ℃ ± 5 ℃時，已形成Cd與Zn二元合金。這時關(guān)掉電源，用坩堝鉗將坩堝從爐中緩慢取至爐邊，打開坩堝蓋用石墨棒緩慢充分?jǐn)嚢?，以增加各成份之間的擴(kuò)散速度。再蓋上坩堝蓋，用坩堝鉗重新送入爐中，并開啟箱形爐。當(dāng)溫度升至590 ℃ ± 5 ℃，時間達(dá)95 min時，關(guān)掉電源，打開箱形爐，用坩堝鉗將坩堝從爐中慢慢取出，并用石墨棒把已熔化的四元合金釬料再次攪拌，而后澆鑄于具有一定傾斜度的角模上，冷卻后取出即可。熔煉前后重量比可 ≥ 98.3%。

熔煉后，銅、銀、鎘、鋅金屬的蒸發(fā)量各不同，所熔煉的焊料在焊接時的使用效果會存在差異。工藝試驗證明，焊料熔煉前后重量百分比 ≥ 96%才能滿足要求。這一結(jié)果也可通過將鎘、鋅、銀、銅重量百分比分別控制在70.4%～73.6% 、18.6%～19.4%、6.8%～7.2%、1.9%～2.1%區(qū)間范圍內(nèi)的計算結(jié)果得到佐證。如采用常規(guī)的熔煉技術(shù)，由于蒸發(fā)量不同，得到焊料的實際成份與理論成份會有較大的差異，一般鎘、鋅含量會減少。

需要注意的是，取坩堝進(jìn)行攪拌時應(yīng)先關(guān)掉電源，坩堝取出后不能放在地上或爐外其它地方，只能取至爐邊進(jìn)行攪拌以防坩堝突然遇冷炸裂。熔煉后進(jìn)行澆鑄時，工裝角模四周一定要密封，并保持干燥，以防發(fā)生危險。

2.2 特殊熔煉工藝

銀、銅、鎘、鋅四元素的物理特性見表2。

表2 元素物理特性分析

從表2可知，鎘、鋅、銀、銅四者間的熔點、沸點差別較大，鎘、鋅的沸點皆低于銅、銀的熔點，說明若銅、銀熔化，則鎘、鋅早已蒸發(fā)得所剩無幾，這對于將四元素的比例控制在最佳比例范圍內(nèi)是極其不利的。但由于銅、銀的含量比較少，因此，根據(jù)金屬原子間的擴(kuò)散原理，采取防氧化等特殊熔煉工藝可有效解決這個難點。新型鎘銀高強(qiáng)度低溫焊料的熔煉技術(shù)有別于常規(guī)的熔煉工藝，主要體現(xiàn)在以下5個方面：

1)配比增量。進(jìn)行Cd、Zn、Ag、Cu 4種元素配比時，除銅、銀外，鎘、鋅金屬的蒸發(fā)量均有不同比例的增加，增加的配比量需反復(fù)試驗后才能達(dá)到最佳。一般鎘的增加量為2%～2.5%，鋅的增加量為0.55%～0.65%。

2)材料形狀。對Cd、Zn、Ag、Cu 4種元素的顆粒形狀和尺寸的要求不同，以控制熔化速率，加速元素間的擴(kuò)散。銅以粉末狀為最佳，銀以粉渣狀為最佳，鋅以細(xì)小顆粒狀為最佳，鎘以塊狀為最佳。

3)加溫順序。利用金屬原子的擴(kuò)散原理、不同溫度點、不同加溫時間，在什么狀態(tài)下停止加熱，這些規(guī)范性操作對減少鎘、鋅蒸發(fā)量也很關(guān)鍵。

4)覆蓋工藝。在合適的時機(jī)狀態(tài)加入以CaCO3為主的干凈草木灰。之所以選取以CaCO3為主要成份的干凈草木灰，一是因為以碳酸鈣為主的草木灰與四元合金的金屬元素兩者間比重上的差異很大(草木灰比重輕)，不容易成為混合物，同時澆鑄時與四元合金的金屬元素易分層，不相溶合；二是因為草木灰在高溫狀態(tài)下不溶解、不變質(zhì)、不反應(yīng)；三是因為草木灰能起到很好的覆蓋作用。這一獨特、簡單、實用的創(chuàng)新方法為大幅降低Cd、Zn的蒸發(fā)量做出了重要貢獻(xiàn)。

從加溫、攪拌到澆鑄，都不要去除草木灰，否則就起不到保護(hù)鎘、鋅2種金屬元素，使之不被蒸發(fā)的作用。在攪拌過程中草木灰始終漂浮在上面，與液態(tài)金屬元素互不相溶，即使經(jīng)充分?jǐn)嚢枰膊粫a(chǎn)生相溶現(xiàn)象。澆鑄時液態(tài)四元合金順勢而下流到V字形模具上，而草木灰會很自然地留在陶瓷坩堝底座內(nèi)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是四元合金的金屬元素與以碳酸鈣為主的草木灰兩者間比重上的差異過大，同時金屬呈液態(tài)后，表面很光滑明亮，類似草木灰這種比重小的漂浮物無法溶入其中。

5)攪拌技術(shù)。在熔煉中攪拌的方法和時機(jī)也很重要。即使不能達(dá)到鎘、鋅的沸點和銅、銀的熔點，攪拌也會使銅、銀原子足夠活潑，加快銅、銀原子的擴(kuò)散速度，保證粉狀的銅、銀均勻分散到鎘、鋅的二元熔液中，從而使四者充分接觸，達(dá)到熔煉的要求。

這5項措施解決了不同熔點、沸點的Cd、Zn、Ag、Cu 4種金屬被熔煉為一體的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了Cd、Zn、Ag、Cu 4種元素熔煉前后重量百分比達(dá)到98.3%的先進(jìn)指標(biāo)，這也是焊料能否熔煉成功的關(guān)鍵要素所在。

2.3 焊料試驗

工藝試件材料為黃銅板H62，其尺寸為2 mm × 25 mm× 60 mm，共12件。焊料試驗包括以下3部分：

1)焊接溫度。釬料在銅板上的流動性、浸潤性較好,可用熱電偶測得焊料在395 ℃～400 ℃時進(jìn)入熔融液態(tài)。經(jīng)觀察，在焊劑的配合下，焊料在銅試板上的流動性、浸潤性好，焊后在0級平板上測得的焊接變形量 ≤ 0.1 mm。

2)焊接強(qiáng)度。試件焊接后對焊縫進(jìn)行抗拉、抗剪強(qiáng)度對比試驗，其結(jié)果見表3。

表3 試件機(jī)械性能測試值

從以上試驗分析可知，新型焊料的平均抗拉強(qiáng)度為162 N/mm2，平均抗剪強(qiáng)度為72.2 N/mm2，超過了某雷達(dá)饋源喇叭的抗拉強(qiáng)度(≥ 150 N/mm2)和抗剪強(qiáng)度(≥ 55 N/mm2)。

3)焊縫鍍銀。經(jīng)檢測，試件經(jīng)過電鍍后，銀層表面光澤，厚度、結(jié)合力均滿足要求。

3 饋源喇叭焊接

3.1 工藝過程

圖5 饋源喇叭上焊片

圖6 饋源喇叭焊接成形

3.2 性能測試

該雷達(dá)饋源喇叭的性能測試結(jié)果見表4。電性能檢測證明，焊縫質(zhì)量滿足某雷達(dá)饋源喇叭的使用要求。

表4 某雷達(dá)饋源喇叭性能測試

4 結(jié)束語

本文研制的新型鎘銀高強(qiáng)度低溫釬料的抗拉強(qiáng)度σb= 162 N/mm2，抗剪強(qiáng)度τ= 72.2 N/mm2，焊接溫度400 ℃，具有良好的漫流性及填滿間隙等焊接工藝性能，滿足了某雷達(dá)饋源喇叭的焊接強(qiáng)度高、變形量 ≤ 0.1 mm、鍍銀工藝性好等要求。其性能通過該雷達(dá)在惡劣自然環(huán)境中5年多的應(yīng)用得到了驗證。該焊料也為其它領(lǐng)域的類似高強(qiáng)度低溫焊接提供了相應(yīng)的焊接工藝技術(shù)。

[1] 趙仁祥，馮展鷹. 6063鋁合金及其波導(dǎo)制件氣保護(hù)釬焊工藝研究[J] .電子機(jī)械工程，2006,22(6):42-44.

[2] 鄒僖. 釬焊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 蔡明忠. 金屬低溫?zé)釋W(xué)和電學(xué)性能[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社，2002.

[4] 張啟遠(yuǎn), 莊鴻壽. 釬焊手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] 鄧健. 釬焊工藝[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

過石正(1959-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)工藝總體研究工作。

2013年電子機(jī)械和微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會議征文通知

中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會與微波分會，定于2013年11月，在廣東省聯(lián)合召開“2013年電子機(jī)械和微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會議”。熱忱歡迎業(yè)界專家、學(xué)者、企業(yè)家及分會團(tuán)體會員單位的同行們積極組稿、撰稿并參加會議進(jìn)行交流。現(xiàn)就會議征文有關(guān)事宜通知如下：

一、會議主題內(nèi)容和征文范圍

1. 面向電子設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計的理論、方法與技術(shù)。廣義機(jī)電場耦合理論與方法/機(jī)電參數(shù)綜合設(shè)計與測控技術(shù)/機(jī)、電、熱、磁兼容技術(shù)/微波結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)/熱設(shè)計與熱分析技術(shù)/振、沖隔離設(shè)計與分析/人、機(jī)、環(huán)境工程/ CAD與仿真。

2. 電子機(jī)械先進(jìn)制造技術(shù)。數(shù)字化制造與制造信息化技術(shù)/虛擬制造技術(shù)/設(shè)計、制造一體化技術(shù)/微波工藝技術(shù)/特種制造和工藝技術(shù)。

3. 微電子組裝與微機(jī)電系統(tǒng)。微組件封裝與表面組裝技術(shù)(SMT)/高密度組裝與立體組裝/ 組裝測試與組裝可靠性/MEMS(微傳感器與微執(zhí)行器等)/微光、機(jī)、電系統(tǒng)/微尺度制造技術(shù)。

二、會議征文投稿方式

請登錄中國電子學(xué)會網(wǎng)站http://www.cie-info.org.cn/，進(jìn)入會議論文管理系統(tǒng)，選擇“2013年電子機(jī)械和微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會議”，查看會議信息及下載模板。

CIE會員可直接用電子學(xué)會的會員號和密碼登錄系統(tǒng)，非CIE會員請先注冊賬戶，而后點擊“上傳論文”，錄入文章基本信息，包括論文名、作者信息、摘要等(請務(wù)必保持錄入信息真實有效)，然后分別上傳word版和pdf版論文，注意兩版內(nèi)容需一致，且符合模板格式要求，否則不能通過初步審核。

三、會議征文出版要求

論文的保密審查由各單位自行負(fù)責(zé)。論文應(yīng)論點明確、論據(jù)充分。本次論文集不正式出版，以電子版形式發(fā)放。大會將進(jìn)行論文評優(yōu)并頒發(fā)獎狀，優(yōu)秀論文將推薦在《電子機(jī)械工程》上刊登，每篇錄用的論文收取版面費。

四、時間安排

2013年9月15日征文截止；2013年10月15日前通過E-mail(或紙質(zhì)文件)發(fā)錄用參會通知；2013年10月20日前參會確認(rèn)(通過E-mail)。

聯(lián)系人：尹翔陵、汪琳 聯(lián)系電話：025-51821008、025-51821082

手機(jī)：13851458685 電子郵箱：cie_eme@163.com

中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會

中國電子學(xué)會微波分會

Research and Applicaiton of New Type High Strength Low-temperature Cadmium Silver Solder

GUO Shi-zheng1，F(xiàn)U Jian-hui1，GUO Xi-wen2

(1.State-operated0871GeneralWorks，Lu′an237010,China；2.AnhuiUniversity,Hefei230601,China)

In the precise welding field of electronic equipment feeder system, it′s difficult to find a solder with high strength compatible with low welding temperature. In this paper a high strength solder which can be welded below 400 ℃ is analyzed in detail. After repeated tests and optimization, the matching solder is obtained with the weight ratio of 72% for Cd , 19% for Zn ,7% for Ag and 2% for Cu. Proper flux and special smelting technology are adopted to meet the requirements. Practice shows the solder is characterized by low welding temperature, high strength, good quality, good infiltration, good liquidity and good silver coating performance etc.

feed horn; high strength; low temperature; cadmium silver solder

2013-03-07

安徽大學(xué)學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人引進(jìn)工程資助項目(02303203)

TN623；TG44

A

1008-5300(2013)03-0036-05