AgCu28釬料釬焊無氧銅晶界滲透行為分析

連 欣 曲文卿

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

李海濤 王國建

(中國科學院 電子學研究所，北京100190)

電真空器件指借助電子在真空或者氣體中與電磁場發(fā)生相互作用，將一種形式電磁能量轉換為另一種形式電磁能量的器件，如微波電子管、行波管、開關管等[1].電真空器件具有大功率、高頻以及低成本的特點，故而越來越廣泛地應用在軍事、商業(yè)以及醫(yī)療系統(tǒng)中[2].電真空器件制造過程中存在大量的使用AgCu28共晶釬料來釬焊無氧銅與其他材料的情況，AgCu28共晶釬料熔點較低，沒有結晶間隙，所形成的焊縫的導熱性和導電性也較好且價格便宜[3－4].在電真空器件制造上，它的使用量占總焊料量的80% 以上[4－5].

使用AgCu28釬料多次釬焊無氧銅和其他材料(如鍍鎳不銹鋼、蒙乃爾等)時，極易造成無氧銅母材性能下降，經(jīng)觀察與分析得知在釬焊過程中AgCu28釬料沿無氧銅晶界進行擴散，即晶界滲透.晶界滲透又稱為晶界滲入，是指液相金屬和固相金屬接觸時，液相金屬向固相金屬晶界處產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象[6－7].在釬焊和接觸反應釬焊接頭中出現(xiàn)晶界滲透，可能造成釬焊接頭的強度和塑性嚴重下降，特別是采用釬焊和接觸反應釬焊連接薄壁結構，一旦產(chǎn)生晶界滲透往往造成連接失敗[8].因此加強對晶界滲透行為的研究具有一定意義.

本文針對電子器件常用材料無氧銅、鍍鎳不銹鋼和蒙乃爾，采用AgCu28釬料對以上3種材料的釬焊接頭進行微觀組織分析，為電真空器件的生產(chǎn)可靠性論證提供數(shù)據(jù)支撐和技術指導.

1 實驗方法與材料

本實驗所用試樣為AgCu28釬料釬焊的無氧銅-無氧銅、無氧銅-鍍鎳不銹鋼和無氧銅-蒙乃爾的釬焊接頭，3種釬焊實驗均在相同條件下進行，其釬焊溫度-時間曲線如圖1所示，分別在60～120 min和127～130 min進行保溫，130 min之后進行隨爐冷卻.沿橫截面(軋制方向)截取試樣，用鑲嵌機進行鑲嵌，對試樣分別用400#，800#，1000#，1500#和2000#砂紙進行研磨及拋光，并對無氧銅采用混合酸溶液(5%FeCl3+5%HCl+90%H2O)腐蝕.采用Olympus B×51M規(guī)格光學顯微鏡和JSM-5800掃描電鏡對釬焊接頭區(qū)域的微觀組織及成分進行觀察和研究.

圖1 釬焊溫度-時間曲線

2 實驗結果與分析

2.1 無氧銅-無氧銅

圖2給出了無氧銅-無氧銅釬焊接頭的微觀組織形貌.由圖2a可以看出，無氧銅-無氧銅焊縫填充完全，邊界清晰.釬料在焊縫融化均勻，潤濕效果好.焊縫整體組織分布較為均勻、結合緊密、界面組織良好，釬料沒有沿著無氧銅晶界進行擴散，即無晶界滲透現(xiàn)象，無氣孔裂紋等缺陷.圖2c中點成分掃描的結果見表1.

圖2 無氧銅-無氧銅釬焊接頭微觀組織

表1 圖2c中點成分掃描結果 %

由圖2b和圖2c可以看出，釬料中均勻分布著白黑相間的Ag和Cu的固溶體組織，釬料潤濕性好，圖2b中Cu元素的成分掃描曲線顯示無氧銅母材向釬料內有溶解現(xiàn)象.

2.2 無氧銅-鍍鎳不銹鋼

圖3所示為無氧銅-鍍鎳不銹鋼的微觀組織形貌.由圖3a可以看出，AgCu28釬料與兩側母材均發(fā)生不同程度的反應，其中與無氧銅母材反應尤其劇烈，釬料沿著無氧銅晶界進行擴散，即發(fā)生明顯的晶界滲透現(xiàn)象.沒有夾雜、裂紋等缺陷.圖3b中給出了無氧銅-鍍鎳不銹鋼的線掃描結果，自上而下依次是:不銹鋼、鍍鎳層、鍍鎳層與釬料反應層、釬料層以及無氧銅母材，層次分明.圖3c為點掃描結果，圖中各點含量見表2.

圖3 無氧銅-鍍鎳不銹鋼釬焊接頭微觀組織

表2 圖3中各點成分原子分數(shù) %

在鍍鎳層與釬料反應層中，Ni元素含量較高，說明鍍鎳層中的Ni在焊接過程中溶解進入釬料并與之發(fā)生反應.在釬料層中，黑色部分是釬料的富Cu相(見點B、點D)，白色部分是釬料的富Ag相(見點C、點E、點F)，在釬料的這兩種相中均檢測到Ni元素.從圖3b中Ni元素的成分掃描曲線可以看出，鍍鎳層中Ni元素的含量比較高，在鍍鎳層與釬料的反應層中Ni含量呈坡度式降低，從而得知鍍鎳層中的Ni進入釬料層并與之發(fā)生反應;依次往下看，在焊縫內部Ni元素含量起伏變化，說明Ni元素從反應層擴散進入釬料層;又結合表2中的點掃描結果可知，在反應層、釬料層以及無氧銅母材中均檢測到Ni元素，且從上到下，Ni含量在不斷降低，這是鍍鎳層中的Ni在焊接過程中不斷溶解擴散的結果.而且在釬料的富Cu相(見點B、點D)以及無氧銅母材中(見點G)Ni元素的含量明顯高于釬料的富Ag相(見點C、點E、點F)中Ni元素的含量，即Ni元素在Cu中的溶解度高于在Ag中的溶解度，說明Ni元素始終沿著Cu晶界進行擴散(而Ni元素同時溶解進入釬料)，從而導致釬料對無氧銅母材進行晶界滲透.

2.3 無氧銅-蒙乃爾

圖4為無氧銅-蒙乃爾釬焊接頭的微觀組織形貌.由圖4a可以看出，AgCu28釬料與無氧銅母材發(fā)生劇烈反應，釬料沿著Cu晶界進行擴散，即晶界滲透現(xiàn)象較為明顯.圖4b中各點掃描結果見表3.

由表3中結果說明釬焊之后釬料的富Cu相(見點C)和富Ag相(見點B、點 D)中均檢測到Ni成分，且Ni元素在釬料的富Cu相的含量明顯高于釬料的富Ag相中的含量，說明Ni元素始終沿著Cu晶界進行溶解擴散(而Ni元素同時溶解進入釬料)，從而造成釬料對無氧銅進行晶界滲透.

圖4 無氧銅-蒙乃爾釬焊接頭微觀組織

表3 圖4b中各點成分原子分數(shù) %

3 結論

1)使用AgCu28釬料釬焊無氧銅和無氧銅時，釬料在焊縫融化均勻，潤濕效果好.焊縫組織分布均勻，結合緊密，接頭組織良好，焊縫未產(chǎn)生晶界滲透現(xiàn)象.

2)使用AgCu28釬料釬焊無氧銅和含Ni母材時，釬料與無氧銅母材反應劇烈，釬料沿著無氧銅晶界進行擴散，即發(fā)生明顯的晶界滲透現(xiàn)象.

3)使用AgCu28釬料釬焊無氧銅和含Ni母材時，含Ni母材中的Ni元素在釬焊過程中快速溶解進入釬料，且Ni元素始終沿著Cu晶界進行擴散，導致釬料對無氧銅母材產(chǎn)生晶界滲透.經(jīng)分析認為，Ni元素在釬料中的溶解是導致釬料對無氧銅產(chǎn)生晶界滲透的主要原因.

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