電器產(chǎn)品中鋁合金釬焊用低溫釬料的研究進(jìn)展

萬(wàn) 超 王 玲,2 曹 諾

（1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300；2.廣東中創(chuàng)智家科學(xué)研究有限公司 廣州 510663）

前言

鋁及鋁合金具有質(zhì)量輕、易加工、耐腐蝕以及優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能等眾多優(yōu)點(diǎn)，在電器電子產(chǎn)品中波導(dǎo)器件、散熱器、框架結(jié)構(gòu)等部件上均有廣泛應(yīng)用。隨著鋁合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其對(duì)應(yīng)的焊接技術(shù)也越來(lái)越受到重視。釬焊作為目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種焊接方法，與熔化焊、壓力焊相比，具有工藝簡(jiǎn)單且適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也是目前鋁合金最常用的焊接方法。

在電器電子產(chǎn)品中由于部分元器件材料耐熱性能較差，不宜采用過(guò)高的釬焊溫度，同時(shí)鋁合金特別是一些高強(qiáng)鋁合金具有很高的溫度敏感性，釬焊溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致鋁合金母材發(fā)生過(guò)燒、晶粒長(zhǎng)大、母材溶蝕甚至過(guò)燒的現(xiàn)象，有研究表明[1]7075鋁在焊接溫度超過(guò)465 ℃就會(huì)發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象。釬料作為釬焊工藝中必不可少的材料，直接決定焊接溫度及焊接接頭的綜合性能，因此開(kāi)發(fā)出合適的鋁合金用低熔點(diǎn)釬料降低釬焊溫度，對(duì)促進(jìn)鋁合金特別是高強(qiáng)鋁合金在電器電子產(chǎn)品中的應(yīng)用意義重大，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了大量的研究。目前鋁合金用低熔點(diǎn)釬料的研究主要集中在Sn基、Zn基以及新型低溫復(fù)合焊料這三個(gè)方向。本文將從這三個(gè)方面綜述目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展，以期為鋁合金釬焊技術(shù)工作者今后的研究工作提供參考。

1 Sn基釬料

Sn基釬料具有釬焊溫度低以及良好的工藝性能，被美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究院認(rèn)為是釬焊鋁合金的一種最具發(fā)展?jié)摿Φ拟F料。目前電器電子產(chǎn)品中的電子元器件的釬焊一般都采用Sn基釬料。由于純錫的機(jī)械性能較差，目前一般采用合金化的方式來(lái)提高Sn基釬料的機(jī)械性能。Sn-Pb釬料作為Sn基釬料最具代表性的一種釬料，具有良好的加工性能及機(jī)械性能，但由于鉛元素對(duì)環(huán)境及人體健康具有較大危險(xiǎn)，Sn基釬料的無(wú)鉛化一直是行業(yè)的研究熱點(diǎn)。目前研究的鋁合金用錫基釬料主要有Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu等二元合金釬料以及在其基礎(chǔ)上添加其他金屬成分改進(jìn)的釬料。

1.1 Sn-Zn釬料

Sn-Zn釬料具有較高的機(jī)械力學(xué)性能且熔點(diǎn)與Sn-Pb釬料相近，是近年來(lái)比較受關(guān)注的一種Sn基無(wú)鉛釬料。Zn元素的添加可明顯提高釬焊接頭的力學(xué)性能，陳偉[2]研究發(fā)現(xiàn)，采用純Sn釬焊鋁合金時(shí)力學(xué)性能只有40 MPa，而采用Sn-Zn釬料時(shí)力學(xué)性能可達(dá)到170 MPa以上。北京大學(xué)陳榮[3]等人通過(guò)研究液態(tài)Sn-Zn釬料與鋁合金的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)Zn元素添加后可向鋁母材晶界滲透形成Zn-Al固溶體，同時(shí)鋁母材中部分鋁向Sn-Zn釬料中滲入生長(zhǎng)形成Al-Sn-Zn針狀固溶體，改變了純錫釬焊時(shí)單純的Sn/Al界面，從而有效提高了釬焊接頭的力學(xué)性能。

Sn-Zn釬料雖然具有釬焊溫度低、釬焊力學(xué)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在很多不足，如潤(rùn)濕性差、抗氧化性能差、耐腐蝕性差等。為此，學(xué)者們通過(guò)在該合金的基礎(chǔ)上添加其他合金元素來(lái)改善釬料的性能。劉亮岐[4]研究發(fā)現(xiàn)，在Sn-Zn釬料中Ag元素的添加可改善釬料對(duì)鋁母材的潤(rùn)濕性能及釬焊接頭的抗氧化性能。王慧等[5]通過(guò)在Sn-Zn釬料中添加微量的Al，釬焊時(shí)Al元素在熔融的釬料表面形成一層致密的氧化膜從而提高釬料的抗氧化性能。

1.2 Sn-Ag 釬料

Sn-Ag釬料釬焊鋁合金時(shí)具有優(yōu)異的機(jī)械物理性能且釬焊后接頭可靠性優(yōu)越，錢乙余教授[6]等人研究表明，Ag元素會(huì)與Al合金發(fā)生選擇性吸附并且在結(jié)合面上形成一層耐腐蝕相Ag2Al，從而有效提高釬焊接頭的耐蝕性。馬鑫[7]等人研究了Ag元素含量會(huì)對(duì)Ag2Al的生長(zhǎng)位置和長(zhǎng)大方式產(chǎn)生影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ag元素含量較低時(shí)，Ag2Al 組織結(jié)構(gòu)粗大且呈島鏈狀分布在釬料層，只有當(dāng)Ag元素含量較高時(shí)，Ag2Al才連續(xù)均勻的分布在鋁母材表面。

Sn-Ag釬料由于釬料中含有Ag會(huì)導(dǎo)致釬料成本偏高，同時(shí)焊料還存在潤(rùn)濕性能較差等問(wèn)題。目前對(duì)Sn-Ag釬料的改性通常是在釬料中添加其他元素如銅、鉍、鋅以及稀土等，研究發(fā)現(xiàn)Cu元素的添加可以細(xì)化合金組織從而提高釬焊接頭的力學(xué)性能[8]。另外Kaban等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，在Sn-3.5Ag釬料中添加Bi元素可以明顯提高釬料的潤(rùn)濕性能。Wu等人[10]發(fā)現(xiàn)，在Sn-3.5Ag釬料中添加0.25 %的稀土元素Re也可以明顯提高釬料的潤(rùn)濕力。

1.3 Sn-Cu 釬料

Sn-Cu 二元合金的共晶點(diǎn)是Sn-0.7Cu，共晶溫度為227 ℃，因該釬料價(jià)格便宜、無(wú)毒無(wú)害且具有較好的綜合性能，目前已經(jīng)在電子電器行業(yè)回流焊中得到一定的應(yīng)用。然而在Sn-Cu 釬焊鋁合金的研究結(jié)果中表明[7]，該釬料對(duì)鋁合金潤(rùn)濕性能較差，并且在釬焊接頭的結(jié)合界面上，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生成新的明顯化合物，因此所得到的釬焊接頭力學(xué)性能較差。為此，研究者們對(duì)該釬料也進(jìn)行了一系列的研究改進(jìn)。研究表明[11]在Sn-Cu 釬料中添加少量的Ni元素可以明顯提高Sn-Cu 釬料的潤(rùn)濕性能，并且Ni元素的添加還可以抑制釬料中Sn枝晶的生長(zhǎng)，細(xì)化釬料在凝固時(shí)Cu6Sn5/Sn的共晶組織并讓其分布更加均勻，從而提高釬焊接頭力學(xué)性能。孫立恒[12]研究了微量Ni、Re元素對(duì)Sn-0.7Cu釬料性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ni、Re元素一定范圍的添加均可以細(xì)化焊接層結(jié)構(gòu)組織、減小界面層厚度，提高釬焊接頭的力學(xué)性能。其中，Ni元素添加上限為0.3 wt%時(shí)，Re元素的添加上限為0.05 wt%。

目前Sn基釬料的研究大多集中在針對(duì)釬料的某一特定性能，所制備的Sn基釬料在綜合性能上與Sn-Pb釬料相比仍存在一定的差距，因此提高Sn基無(wú)鉛釬料的綜合性能及實(shí)用性將是今后的研究發(fā)展方向。

2 Zn基釬料

Zn基釬料是指以Zn為基體的二元或多元合金釬料。Zn元素與Al元素的晶體結(jié)構(gòu)接近，具有較好的互溶性，采用Zn基釬料制備的鋁合金釬焊接頭具有較好的機(jī)械性能，目前在電器產(chǎn)品的散熱器、框架結(jié)構(gòu)等部件有較多應(yīng)用。由于純Zn在凝固時(shí)體積收縮率較大，采用純Zn為釬料釬焊鋁合金時(shí)，容易在焊縫中形成縮孔，從而影響釬焊接頭的力學(xué)性能，因此不宜單獨(dú)采用純Zn作鋁合金的低溫釬料。目前研究較多的Zn基釬料有Zn-Al、Zn-Al-Cu、Zn-Al-Ag等。

2.1 Zn-Al 釬料

Zn-Al二元合金的共晶溫度為381℃，共晶點(diǎn)是Zn-5Al。但Zn-5Al釬料本身的機(jī)械性能及釬焊工藝性能均較差，目前一般通過(guò)改變Al合金的含量提高Zn-Al釬料在鋁合金母材上的潤(rùn)濕性能和釬焊接頭的力學(xué)性能。張滿等人采用Zn-Al釬料分別釬焊2A01鋁合金及6063鋁合金[13,14]，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Zn-Al釬料中Al元素的含量在一定范圍內(nèi)的增加可以提高釬料的潤(rùn)濕性能，提高釬焊接頭的力學(xué)性能，超過(guò)一定范圍后繼續(xù)增加Al元素含量反而會(huì)惡化釬焊接頭的力學(xué)性能。這主要是由于，釬料中鋁含量的增加可以提高釬縫中鋁基固溶體強(qiáng)化相的數(shù)量，但鋁含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致釬縫中的枝狀共析組織變得粗大，從而惡化接頭力學(xué)性能。

由于Zn-A1釬料熔融后的流動(dòng)性較差，采用其釬焊鋁合金時(shí)形成的焊縫容易出現(xiàn)不飽滿或不光滑的現(xiàn)象，同時(shí)由于Zn和Al互溶度較大，熔融后的Zn-A1釬料容易溶蝕鋁合金母材而降低焊縫質(zhì)量。為提高Zn-A1釬料的焊接質(zhì)量，研究者們通常會(huì)在Zn-A1合金的基礎(chǔ)上添加少量其他的合金元素。有研究表明少量Ti、Zr元素的添加可以降低釬焊溫度、細(xì)化焊縫組織提高釬焊接頭綜合性能。

2.2 Zn-Al-Cu 釬料

Zn-Al-Cu 釬料是在Zn-Al釬料的基礎(chǔ)上添加Cu元素形成三元合金，研究表明Cu元素的添加可以降低Zn-Al釬料的熔化溫度，同時(shí)改善釬料在鋁母材上的鋪展性能。彭志輝等人[15]通過(guò)研究Cu元素對(duì)焊縫微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)Cu元素添加會(huì)在 Zn-Al釬料中形成鋁和銅的η相以及含鋅和銅的β相兩種固溶體，從而增強(qiáng)釬焊接頭力學(xué)性能的?？茁?shù)热薣16]研究了Zn-Al-Cu釬料中Cu元素含量對(duì)釬焊性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cu元素的含量低于其在Al中溶解度時(shí)，Cu元素的增加，釬料在鋁母材上的鋪展面積也隨之增加，當(dāng)Cu元素的含量達(dá)到飽和時(shí)Zn-Al-Cu釬料的潤(rùn)濕性能最好。并且研究發(fā)現(xiàn)Cu元素的添加還會(huì)對(duì)焊縫組織起到較好的彌散強(qiáng)化作用，提高釬焊接頭的力學(xué)性能。

2.3 Zn-Al-Ag 釬料

研究表明Ag元素的添加可以細(xì)化Zn-Al釬料的微觀組織，從而提高釬焊接頭的力學(xué)性能?？茁擺17]通過(guò)在85Zn15Al釬料中添加不同含量的Ag元素，測(cè)試其含量對(duì)釬焊性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ag元素的添加會(huì)略微提高釬料的熔化溫度，但可明顯改善釬料在鋁基板上的鋪展性能，同時(shí)通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察可發(fā)現(xiàn)Ag元素對(duì)釬縫組織具有較好的固溶強(qiáng)化作用，從而有效提高釬焊接頭力學(xué)性能。張滿等人[18]采用Zn-Al釬料釬焊銅/鋁基板，研究了Ag元素的添加對(duì)焊接性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ag元素的添加可明顯同時(shí)促進(jìn)釬料在鋁板及銅板上的鋪展，并可有效提高釬焊接頭的力學(xué)性能。對(duì)釬縫顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，Ag元素的添加還可以細(xì)化釬縫內(nèi)部塊狀的銅鋁脆性相。

目前針對(duì)Zn基釬料的研究有很多，也取得了一定的效果，但Zn基焊料總體仍存在熔點(diǎn)偏高、潤(rùn)濕性差等缺點(diǎn)，同時(shí)由于Zn基焊料中Zn加熱過(guò)程中易升華，不適合應(yīng)用于真空釬焊，這也部分限制了其的應(yīng)用，因此未來(lái)進(jìn)一步降低釬料的熔點(diǎn)、提高釬料的潤(rùn)濕性、提高釬焊接頭可靠性等仍將是Zn基釬料的研究方向。

3 新型復(fù)合釬料

近年來(lái)，新興起一種新型低溫高強(qiáng)度復(fù)合釬料用于鋁合金的釬焊，該釬料采用高熔點(diǎn)高強(qiáng)度的泡沫金屬為骨架，在泡沫金屬中注入低熔點(diǎn)的釬料，從而有效提升釬料的機(jī)械性能。由于這種釬料制備工藝簡(jiǎn)單且具有較好的力學(xué)性能，目前得到了大量的研究。Huang等人[19]提出，呈網(wǎng)狀分布的泡沫金屬能對(duì)低熔點(diǎn)金屬基體起到很好的強(qiáng)化作用。王文濤[20]采用在泡沫金屬Ni分別注入Sn基和Zn基釬料制備出高強(qiáng)度的低溫復(fù)合釬料，并研究發(fā)現(xiàn)采用新型的復(fù)合釬料釬焊鋁合金時(shí)可以獲得力學(xué)性能優(yōu)異的釬焊接頭。劉偉[21]等采用泡沫Ni-Cu合金增強(qiáng)In-Sn合金制備的復(fù)合釬料可于160 ℃釬焊鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)采用新型釬料制備的鋁合金接頭較單純的In-Sn釬料力學(xué)性能可提高4.6倍。張譽(yù)嚳[22]采用泡沫Al增強(qiáng)Sn基和Zn基釬料，研究發(fā)現(xiàn)Sn基釬料在泡沫鋁骨架上的潤(rùn)濕性能較差，所制備的復(fù)合釬料缺陷較多，而Zn基釬料能在泡沫鋁骨架上較好的潤(rùn)濕，所制備的新型釬料具有良好的力學(xué)性能。

雖然新型低溫高強(qiáng)度復(fù)合釬料具有制備簡(jiǎn)單、機(jī)械力學(xué)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其釬焊時(shí)，釬料只能部分熔化，導(dǎo)致釬料的流動(dòng)性較差，釬焊時(shí)焊接接頭部分容易出現(xiàn)缺陷。有研究采用超聲輔助、鋁合金表面鍍銀等方式降低其釬焊缺陷，但由于操作復(fù)雜、工藝適配性差還僅停留在實(shí)驗(yàn)階段。目前新型低溫高強(qiáng)度復(fù)合釬料的研究主要還集中在制備不同成分的低溫高強(qiáng)度復(fù)合釬料上，對(duì)其釬焊作用的界面反應(yīng)機(jī)理及降低焊接缺陷的研究還較少，相關(guān)的研究將會(huì)是新型復(fù)合釬料的重點(diǎn)研究方向也是促進(jìn)新型低溫高強(qiáng)度復(fù)合釬料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

4 結(jié)論與展望

隨著電器電子產(chǎn)品向體積微型化和功能集成化方向迅速發(fā)展，使得微電子系統(tǒng)對(duì)互連焊點(diǎn)的可靠性要求越來(lái)越高。雖然Sn基和Zn基釬料在電器產(chǎn)品中鋁合金的釬焊工藝中都有了一定的應(yīng)用，但對(duì)應(yīng)的釬料或多或少均存在一定的缺陷及局限性，仍需要持續(xù)不斷的改進(jìn)。新型復(fù)合釬料作為一種新興釬料，雖然還存在潤(rùn)濕性能差、工藝適配性差等缺點(diǎn)，但由于其具有力學(xué)性能強(qiáng)、成份結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單，特別是采用這種焊料可以精確控制釬料用量更加適用于目前微電子系統(tǒng)的精確焊接，相信其將會(huì)具有更好的發(fā)展前景。