無(wú)鍍鎳銅鋁低溫釬焊工藝研究

曹 凱，劉 平，劉新寬，王子延，張 卓，曹蒙云

（1. 上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2. 坤同勃志智能科技(上海)有限公司，上海 201207）

由于質(zhì)量輕，高熱容量和高瞬間吸熱能力，銅鋁結(jié)合散熱器的使用已經(jīng)成為大功率電子/電力器件(例如IGBE，計(jì)算機(jī)CPU和大功率LED)散熱器的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。在眾多的散熱器件中，熱管技術(shù)是目前較為先進(jìn)的技術(shù)，它具有體積小、散熱效果好的特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用到了工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在電子工業(yè)領(lǐng)域，熱管已成為功率器件散熱的有效手段[3-6]。市面上，常溫?zé)峁艿墓ぷ鳒囟炔坏贸^(guò)250 ℃，否則會(huì)造成熱管損壞。

在銅鋁直接釬焊工藝中，銅鋁接頭處會(huì)形成CuAl2?Al共晶相，影響接頭的綜合性能[7-10]。同時(shí)，因?yàn)楹附蛹褂昧蒜F劑，反應(yīng)結(jié)束后殘存的釬劑會(huì)導(dǎo)致釬縫嚴(yán)重腐蝕，因此銅鋁異種金屬直接釬焊困難較大?，F(xiàn)有的工藝是在鋁表面電鍍一層金屬鎳，然后與銅進(jìn)行釬焊。杜隆純等[11]在鋁表面電鍍一層鎳薄膜，鍍層金屬與釬料反應(yīng)，從而消除銅鋁直接釬焊的不利影響。在這種工藝下，銅不與鋁直接釬焊，因此可以使用腐蝕性小或無(wú)腐蝕性的釬劑，從而提高銅鋁釬焊接頭的強(qiáng)度和耐腐蝕性，并且鎳能有效阻止鋁原子的擴(kuò)散，從而避免CuAl2?Al共晶相的生成[12-14]，但存在成本高、工藝復(fù)雜和污染環(huán)境等缺點(diǎn)[15-16]。

本研究目的在于開(kāi)發(fā)出不鍍鎳的低溫釬焊銅鋁工藝，選用4種釬料，采用不同的工藝對(duì)銅鋁板進(jìn)行釬焊研究，重點(diǎn)研究釬焊后銅鋁復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度及界面形貌，為實(shí)現(xiàn)鋁翅片和銅熱管的釬焊連接提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取6061鋁合金和T2純銅板進(jìn)行感應(yīng)加熱焊接，銅板和鋁板長(zhǎng)度為30 mm，寬度為30 mm，厚度分別為5和2 mm，其主要成分如表1所示。

表1 6061鋁合金和T2純銅的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical compositions of 6061 aluminum alloy and T2 pure copper (mass fraction,%)

試驗(yàn)所用釬料為威歐丁公司生產(chǎn)的M51，Q303，303和53釬料以及常用于鍍鎳工藝的Sn60焊錫，其中Q303和303釬料為自帶釬劑的藥芯釬料，具體介紹見(jiàn)表2。

表2 釬料簡(jiǎn)介T(mén)ab.2 Introduction of solders

1.2 預(yù)處理

鋁和氧的強(qiáng)親和力導(dǎo)致了鋁的表面一直存在一層氧化膜，所以必須在試驗(yàn)之前對(duì)鋁板進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。在焊接前，使用砂紙對(duì)銅板和鋁板進(jìn)行打磨，這樣可以將表面的油、氧化物層和水去除，使得銅板和鋁板表面接觸良好。然后用無(wú)水乙醇清潔銅板接觸面，用鋁清潔劑清潔鋁板接觸面，并且對(duì)其進(jìn)行干燥處理，使焊接面的雜質(zhì)降至最低。

1.3 釬焊工藝

因?yàn)殂~熱管的工作溫度不能超過(guò)250 ℃，所以銅板一側(cè)焊接溫度不能超過(guò)250 ℃，為了滿足這一溫度條件，選用3種釬焊工藝。工藝1，直接使用M51低溫釬料搭配釬劑進(jìn)行焊接；工藝2，先使用Q303或303高溫藥芯釬料在鋁板上形成鍍層，再將銅板和鋁板進(jìn)行釬焊連接；工藝3，在鋁板表面用刮擦釬焊法搭配M51或53釬料先進(jìn)行鍍層處理，再將銅板和鋁板進(jìn)行釬焊連接。本文中的工藝2和工藝3統(tǒng)稱為分層釬焊法，具體工藝如下所示：

（1）通過(guò)高頻感應(yīng)加熱在鋁板上釬焊1層鋁用釬料，焊接溫度為400～450 ℃，釬料被加熱熔化鋪覆在鋁表面形成鍍層，在熱狀態(tài)下使用機(jī)械刮板去除殘留物并控制鍍層厚度；

（2）將焊錫放置于鍍層表面，在鍍層表面形成1層焊錫層(使用M51釬料刮擦釬焊在200 ℃左右，其余在350 ℃左右)，然后空冷至室溫；

（3）在銅板表面釬焊 1 層焊錫 (180～200 ℃)，然后空冷至室溫；

（4）將鍍有鍍層的銅板和鋁板進(jìn)行焊接(180～200 ℃)。

圖1 分層釬焊示意圖Fig.1 Schematic drawing of layered brazing

1.4 分析測(cè)試方法

使用XPL?15偏光顯微鏡來(lái)觀察銅鋁焊接界面的形貌，在ZWICK?Z050電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試焊接界面的結(jié)合強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

為了檢驗(yàn)銅鋁釬焊件的焊接質(zhì)量，將釬焊試樣在室溫下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，拉伸速率為l mm/min。圖2為測(cè)試界面結(jié)合強(qiáng)度示意圖。

界面強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：τ為界面結(jié)合強(qiáng)度；P為拉伸過(guò)程中最大力；H為試樣剪切面的寬度；L為試樣剪切面的長(zhǎng)度。

圖2 拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic drawing of tensile sample

結(jié)果顯示，直接使用M51釬料與搭配的釬劑進(jìn)行銅鋁釬焊和先在鋁板上鍍M51釬料后再進(jìn)行焊接的試樣的剪切強(qiáng)度幾乎為零，說(shuō)明只使用M51低溫釬料很難大面積焊接銅鋁。

分層釬焊的剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中的4個(gè)數(shù)據(jù)可以看出，使用4種釬料進(jìn)行分層釬焊的試樣剪切強(qiáng)度相差不大，使用主流的鍍鎳方法低溫釬焊的銅鋁件剪切強(qiáng)度約為20 MPa。因此，最低17.5 MPa，最高26 MPa的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度完全可以滿足行業(yè)要求。

圖3 4種釬料分層釬焊的剪切強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of four solders after layered brazing

2.2 單一低溫釬料釬焊效果

為了進(jìn)一步分析銅鋁焊接件是否有高質(zhì)量的結(jié)合，使用偏光顯微鏡進(jìn)行界面形貌觀察。

M51釬料配套使用的釬劑為有機(jī)鋁釬劑，這種釬劑由幾種氟硼酸鹽組成，溶劑為有機(jī)物三乙醇胺。這種類型的釬劑主要通過(guò)產(chǎn)生的有機(jī)氟硼化物除掉鋁表面的氧化膜，同時(shí)重金屬氟硼化物沉淀析出的金屬能夠讓釬料在鋁板上的鋪展性得到改善。有機(jī)鋁釬劑在180～275 ℃可以有效地破壞氧化鋁膜，但是存在活性差的問(wèn)題，若加熱溫度高于275 ℃，釬劑所含的有機(jī)物會(huì)碳化，直至徹底失去活性。這類釬劑在其作用期間會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，呈現(xiàn)沸騰狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致大面積焊接時(shí)出現(xiàn)很多氣孔，使焊件得不到致密的釬縫。

圖4為使用M51釬料與搭配的釬劑焊接的銅鋁試樣的界面形貌。從圖4中可以看出，釬料和銅基體結(jié)合較好，但是無(wú)論是哪種釬焊方法，釬料與鋁基體之間都存在一條明顯的連續(xù)黑縫，即存在明顯的裂紋。這說(shuō)明釬料與鋁的結(jié)合很差，銅板和鋁板沒(méi)有形成有效連接。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)榇钆涫褂玫拟F劑為鋁用軟釬劑，這種釬劑雖然使用溫度低，但是本身的成分導(dǎo)致了釬料與鋁的結(jié)合差，因此使用M51釬料與搭配的釬劑很難保證大面積釬焊銅鋁的焊接質(zhì)量。

2.3 高溫藥芯釬料分層釬焊效果

Q303和303為內(nèi)部包裹有粉末狀釬劑的藥芯釬料，釬劑主要成分為氟化物，幾乎不溶于水，解決了氯化物釬劑容易吸潮的問(wèn)題，幾乎無(wú)腐蝕性。氟化物釬劑的破膜原理為：先溶解鋁表面上的難熔氧化物，然后釬料在釬劑的作用下通過(guò)毛細(xì)作用自由地穿透進(jìn)入結(jié)合表面和基體進(jìn)行冶金結(jié)合。鍍層后未反應(yīng)完全的釬劑以糊膜的形式存在于部件表面，其厚度約為1～2 μm。釬劑殘留層附著力很強(qiáng)，不吸濕，不腐蝕，不溶于水性溶劑，固態(tài)時(shí)很難去除，而且這一層殘留層會(huì)阻止Sn60的潤(rùn)濕，因此，需要在高溫釬料為液態(tài)時(shí)去除這一層糊膜，使得Sn60能夠成功地在鍍層表面潤(rùn)濕。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊錫在350 ℃能很好地潤(rùn)濕高溫釬料，所以需要在高溫時(shí)于鍍層表面焊一層焊錫，然后將銅鋁之間的焊接轉(zhuǎn)變?yōu)楹稿a和焊錫之間的結(jié)合，這樣就能夠滿足溫度的要求。

圖4 使用M51與搭配的釬劑形成的焊接界面形貌Fig.4 Morphology of the welding interface by using M51 and its matching flux

圖5 高溫藥芯釬料分層釬焊的界面形貌Fig.5 Morphology of the welding interface by using high temperature flux-cored layered brazing

圖5 為高溫藥芯釬料分層釬焊的界面形貌圖。從圖 5（a）和圖 5（b）中可以看出，焊接區(qū)域沒(méi)有明顯的黑色縫隙、孔洞或夾雜物等焊接缺陷，釬縫處連接緊密，這說(shuō)明釬縫界面處已經(jīng)形成了良好的冶金結(jié)合，所形成的焊點(diǎn)具有很好的熱傳導(dǎo)性能。圖5（c）和圖5（d）為銅鋁焊接件沿著結(jié)合界面拉開(kāi)后的斷口截面圖，可以看出高溫鋁釬料與鋁基體、焊錫和銅板之間都沒(méi)有明顯的微裂紋。表明，當(dāng)受到外力時(shí)，斷裂主要發(fā)生在中間焊縫處，斷裂的銅側(cè)和鋁側(cè)都留下一部分釬料。所以，無(wú)論是鍍層溫度較低的Q303釬料，還是鍍層溫度較高的303釬料，都可以通過(guò)分層釬焊在低溫下實(shí)現(xiàn)銅鋁的有效連接。

2.4 物理破膜分層釬焊效果

與常用的使用釬劑破壞鋁氧化膜的化學(xué)方法不同，本文試驗(yàn)了物理破膜的方法，即使用不銹鋼刷子搭配M51釬料在鋁基體表面刷拭熔融的釬料層，至母材毛細(xì)，其表現(xiàn)出很好的潤(rùn)濕性。具體工藝為：先在鋁表面刷上一層薄薄的釬料形成鍍層，再在鍍層表面釬焊一層焊錫，然后把銅鋁之間的焊接轉(zhuǎn)變?yōu)楹稿a和焊錫之間的結(jié)合，從而滿足溫度要求。

圖6為使用不銹鋼刷子搭配釬料進(jìn)行分層釬焊的試樣的界面形貌。從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，使用不銹鋼刷子破壞鋁氧化膜進(jìn)行銅鋁低溫分層釬焊可以得到連續(xù)、致密的焊縫，沒(méi)有觀察到明顯的氣孔、裂紋等焊接缺陷。圖6(c)和圖6(d)為銅鋁焊接件沿著結(jié)合界面拉開(kāi)后的斷口截面，銅側(cè)和鋁側(cè)都有連續(xù)的釬料存在，說(shuō)明通過(guò)物理破膜的方式進(jìn)行銅鋁焊接，可以讓釬料和鋁基體緊密結(jié)合，斷裂發(fā)生在釬料區(qū)域。物理破膜分層釬焊法既能夠搭配低溫釬料，又能夠搭配高溫釬料，獲得的焊件強(qiáng)度滿足行業(yè)要求。

分層釬焊法解決了由于鋁表面有一層氧化膜導(dǎo)致銅鋁焊接難的問(wèn)題，無(wú)論是化學(xué)破膜，還是物理破膜，都可以有效地去除鋁表面的氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)銅鋁在低溫下的釬焊。

圖6 物理破膜分層釬焊的界面形貌Fig.6 Morphology of the welding interface by using physical broken-film layered brazing

3 結(jié) 論

（1）只使用M51釬料與搭配的釬劑很難保證大面積釬焊銅鋁的焊接質(zhì)量。

（2）使用分層釬焊工藝制得的銅鋁焊接件的剪切強(qiáng)度最高可達(dá)26 MPa，完全可以滿足行業(yè)對(duì)銅鋁散熱器的強(qiáng)度要求，微觀界面沒(méi)有明顯的焊接缺陷，形成的焊點(diǎn)具有良好的導(dǎo)熱性能。

（3）使用分層釬焊工藝制得的銅鋁焊接件沿界面拉開(kāi)后斷裂在釬料之間，分層釬焊解決了銅鋁低溫焊接。

（4）使用刮擦釬焊法，既能夠搭配低溫釬料，又能夠搭配高溫釬料，焊件的剪切強(qiáng)度完全能達(dá)到行業(yè)要求。