鎳/銅箔回流焊與激光釬焊界面顯微組織與性能

孫茜，王佳樂，周興汶，王曉南

(蘇州大學(xué),蘇州,215021)

0 序言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，新能源電動汽車的需求日益增加，而鋰電池也作為新能源電動汽車動力電池首選材料[1-3].鋰電池的鋁極柱與銅基電路板的連接是動力電池蓄電系統(tǒng)制備的必要環(huán)節(jié)，如何獲得低電阻、高強度等優(yōu)異性能的鋁銅焊接接頭是實現(xiàn)動力電池長壽命、高可靠性的重要保障[4].

鋁與銅在物理性能及化學(xué)性能方面因存在較大差異而使其焊接性很差[5-8]，無法滿足使用要求，多采用在鋁極柱與銅電路板間搭建鎳箔“橋”的方式，通過實現(xiàn)鎳/銅、鎳/鋁分別連接的形式替代鋁銅的直接連接.一般而言，鎳箔與銅基板的連接常采用回流焊的方式，通過錫釬料的熔化及與鎳、銅界面分別形成金屬間化合物的形式獲得鎳/銅的有效連接[9-11].由于回流焊在釬料熔點以上加熱時間相對較長，且電路板需隨焊點同時加熱，要求設(shè)備容量大，存在產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，加工不靈活,且生產(chǎn)效率低等問題[12].激光作為一種新型熱源，具有加熱冷卻速度快、靈活性高等優(yōu)點[13-16]，有望解決回流焊存在的不足.

Nishikawa 等人[17]利用激光作為熱源在銅基板上進(jìn)行釬焊，結(jié)果表明，激光作用下界面處金屬間化合物厚度極小(＜1 μm)，且接頭的沖擊可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)回流焊接頭；Lee 等人[18]發(fā)現(xiàn)利用激光釬焊在較短時間內(nèi)可獲得錫釬料與銅的有效連接.

文中選用鎳、銅箔片作為研究對象，采用回流焊及半導(dǎo)體激光釬焊技術(shù)對其進(jìn)行連接，對比研究兩種焊接方式下接頭形貌、接頭界面顯微組織的形成機制，并對兩種焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行評價，從而提出利用激光釬焊替代回流焊的可行性技術(shù).

1 試驗方法

試驗材料為純鎳(22 mm × 8 mm × 0.3 mm)和純銅(50 mm × 10 mm × 0.1 mm)箔片，焊接前利用乙醇清理母材表面的油污，再用超聲波清洗后吹干待用，焊接示意圖如圖1 所示.回流焊采用北京七星天禹電子有限公司生產(chǎn)的TYR108N-C 回流焊機，加熱方式為紅外線+熱風(fēng)對流方式，預(yù)熱138 s(90～ 215 ℃)，保溫30 s(215～ 238 ℃)，焊接時間248 s(238～ 250 ℃)，冷卻時間為180 s.激光器為武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的RFLA2000D 激光器，波長為915 nm，最大激光功率為2 000 W.采用尺寸為10 mm × 2 mm 的矩形光斑由左至右掃描，掃描速度為10 mm/s，激光釬焊功率為400 W，離焦量和焦距分別為0 和300 mm.兩種焊接方式均采用Sn-3.5Ag-0.5Cu 釬料，厚度為100 μm，且未使用釬劑.

圖1 焊接示意圖Fig.1 Welding diagram.(a) reflow soldering;(b) laser soldering

為避免取樣過程對焊點界面破壞，試驗首先采用冷鑲嵌(環(huán)氧樹脂配合固化劑)方法對焊接試樣進(jìn)行鑲嵌，然后用400 號砂紙打磨至焊點，再用800 號、1 000 號、1 500 號、2 000 號、3 000 號及5 000號砂紙對金相樣品由粗到細(xì)逐一打磨，而后使用粒度50 nm 的SiO2懸浮液對試樣進(jìn)行納米級拋光，以達(dá)到鏡面效果，利用腐蝕液(2.5% HNO3+1%HCl+96.5% C2H5OH)對焊接接頭橫截面進(jìn)行化學(xué)腐蝕8～ 10 s，采用日本日立公司(HITACH)生產(chǎn)的SU5000 掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭的橫截面形貌，采用牛津Oxford EDS X-MAX 20 能譜儀對焊接接頭界面組織進(jìn)行成分分析，采用微型拉力測試儀測量焊接接頭的最大剪切力，為了保證力學(xué)性能測試的準(zhǔn)確性，取3 次測試后的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭成形及焊縫組織

圖2 為焊后鎳/銅接頭的橫截面形貌.從圖中可以看出，兩種焊接方式所獲得的焊縫均連續(xù)，界面處成形良好，均無明顯孔洞及裂紋缺陷.由此可見，回流焊、激光釬焊在所選擇工藝條件下均可實現(xiàn)鎳-銅的有效異質(zhì)連接.

圖2 焊接接頭橫截面形貌及微觀組織Fig.2 Cross section morphology and microstructure of welded joints.(a) cross section morphology of reflow soldering;(b) microstructure of reflow soldering;(c) cross section morphology of laser soldering joints; (d) microstructure of laser soldering joints

利用掃描電鏡對焊縫的顯微組織進(jìn)行觀察可知，兩種焊接方式下接頭兩側(cè)界面均呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散反應(yīng)層，且錫-銅側(cè)界面厚度均明顯大于錫-鎳側(cè).對比而言，回流焊縫中的顯微組織分布均勻，而激光釬焊焊縫內(nèi)的顯微組織則呈非連續(xù)分布，焊縫中心處出現(xiàn)等軸晶狀凝固態(tài)組織.EDS 結(jié)果表明，回流焊縫中心處的元素組成為97.5Sn-2Cu-1.5Ni(原子分?jǐn)?shù)，%)，可推斷是錫的固溶體.對激光釬焊焊縫處顯微組織進(jìn)行EDS 分析可知，焊縫組織由兩部分組成，其一是由成分為2.9%Ni-50.1Sn-45.8Cu-1.2Ag(原子分?jǐn)?shù)，%)組成的等軸晶狀組織，可推斷為是(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物；其二則是等軸晶附近的富錫相，根據(jù)EDS 結(jié)果可推斷為是錫的固溶體(圖3).

圖3 激光釬焊接頭橫截面的元素分布Fig.3 Elemental distribution in the cross-section of laser soldering joints

在回流焊過程中，錫釬料在高溫下熔化，此時鎳、銅箔金屬元素向熔融的錫釬料中發(fā)生擴(kuò)散.分析表明，銅原子在熔融釬料內(nèi)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于鎳原子的擴(kuò)散速度[19-22].由于回流焊的加熱和冷卻時間相對較長，銅原子有充分的時間發(fā)生擴(kuò)散并遷移至鎳箔處，因此銅原子并未在熔融錫釬料中偏聚，使得焊縫中心處形成錫的固溶體，盡管如此，固溶體內(nèi)銅原子含量仍大于鎳原子含量.

對于激光釬焊而言，其加熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回流焊，盡管大量銅原子在短時加熱過程中可迅速擴(kuò)散至熔融釬料中，但在極短的冷卻速度下不能夠完全到達(dá)鎳箔處，導(dǎo)致殘留在熔融釬料中形成銅的局部偏聚，并與周邊的熔融錫形成Cu-Sn 金屬間化合物.因凝固前端具有相似的過冷度，所形成的化合物在后續(xù)的快冷過程中呈等軸晶狀長大；而對于附近的熔融錫而言，則仍形成錫的固溶體，因此激光釬焊焊縫中心的組織是由錫的固溶體和Cu-Sn 金屬間化合物兩部分組成.

2.2 銅-錫側(cè)界面顯微組織

由2.1 小節(jié)可知，焊接接頭兩界面處呈現(xiàn)不同的形貌特征，且銅-錫側(cè)界面厚度明顯大于鎳-錫側(cè).圖4 給出了銅-錫側(cè)界面區(qū)域的顯微組織及EDS 線掃描結(jié)果.

圖4 界面微觀組織及元素分布(銅-錫側(cè))Fig.4 Microstructure and elemental profile of interface(Cu-Sn side).(a) microstructure of reflow soldering;(b) elemental profile of reflow soldering;(c)microstructure of laser soldering;(d) elemental profile of laser soldering

從圖4 中可以看出，回流焊銅-錫界面層厚度約為2.8 μm，其呈現(xiàn)扇貝狀形貌[23]，如圖4a 所示.EDS 結(jié)果可知，由銅箔側(cè)到焊縫內(nèi)元素含量呈現(xiàn)一定的濃度梯度，即Cu 元素含量逐漸降低，Sn 元素含量逐漸升高，其它元素未有明顯波動.結(jié)合EDS點掃描結(jié)果，界面層的顯微組織變化規(guī)律為銅固溶體→Cu3Sn→Cu6Sn5.分析表明，Cu 原子在加熱階段瞬時內(nèi)形成銅的固溶體，隨著Cu 原子的不斷擴(kuò)散，與熔融錫釬料在短時間內(nèi)迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于此時距離銅箔基板最近，Cu 元素含量濃度最高，導(dǎo)致在界面處優(yōu)先形成Cu3Sn 金屬間化合物；隨著距銅箔基板的距離增加，在Cu3Sn 金屬間化合物阻礙下，Cu 原子的擴(kuò)散速度略微減慢，且Sn 元素含量也顯著增加，導(dǎo)致在Cu3Sn 金屬間化合物的上面又形成Cu6Sn5化合物[24-25].進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，Cu6Sn5化合物層元素分布均勻，其層厚度可達(dá)2 μm 左右.

對于激光釬焊而言，銅-錫界面厚度較回流焊相比顯著提高，可達(dá)5 μm 左右，且呈現(xiàn)柱狀形貌，并垂直于銅箔基板，且向著焊縫中心長大，如圖4b 所示.此外，EDS 線掃描的結(jié)果中可以明顯看出，盡管元素分布與回流焊有著同樣的變化規(guī)律，即Cu 元素從銅箔到焊縫內(nèi)逐漸降低，Sn 元素逐漸升高，然而元素分布曲線卻非常陡峭，即元素含量在距離銅箔的任一位置都呈現(xiàn)明顯的不同，且具有較大的濃度梯度.據(jù)此該界面處可推斷為形成了多種Cu-Sn 的金屬間化合物，究其原因，激光釬焊較回流焊具有快速加熱和快速冷卻的特征，Cu 原子在加熱過程中迅速擴(kuò)散，遷移至熔融錫釬料中，形成金屬間化合物，快速的擴(kuò)散速度使得金屬間化合物的類型多樣化.由于凝固前方具有較大的成分過冷和溫度梯度，使得形成的化合物沿著垂直于銅箔向焊縫中心快速長大，而兩側(cè)生長則受到顯著抑制，因此較回流焊相比，激光釬焊銅-錫界面處形成柱狀晶組織，使得界面層厚度大于回流焊.

2.3 鎳-錫側(cè)界面顯微組織

圖5 給出了兩種焊接方式鎳-錫側(cè)界面顯微組織及元素分布.從圖中可以看出，回流焊接頭中界面區(qū)寬度約為3 μm(圖5a).結(jié)合EDS 線掃描可知，Ni 和Cu 兩種元素界面層處元素分布較為穩(wěn)定，且距離鎳基板越遠(yuǎn)，其含量逐漸降低，而Sn 元素含量則逐漸增加.在回流焊過程中，鎳在界面處發(fā)生擴(kuò)散，并與熔融錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成Ni3Sn4金屬間化合物.與此同時，大量Cu 原子從銅箔處經(jīng)過熔融錫釬料擴(kuò)散遷移至鎳箔界面處，并溶解至Ni3Sn4，從而形成(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物[19-22].

圖5 界面微觀組織及元素分布(鎳-錫側(cè))Fig.5 Microstructure and elemental profile of interface(Cu-Sn side).(a) microstructure of reflow soldering;(b) elemental profile of reflow soldering;(c)microstructure of laser soldering;(d) elemental profile of laser soldering

相比而言，在激光釬焊接過程中，盡管銅也快速擴(kuò)散至熔融釬料中，但極快的冷卻速度導(dǎo)致銅不能充分?jǐn)U散至鎳箔界面處，使其在焊縫內(nèi)偏聚(見小節(jié)2.1).已擴(kuò)散至鎳箔界面處的Cu 原子的濃度梯度較大，但仍可溶入到Ni3Sn4金屬間化合物，形成(Cu,Ni)6Sn5或(Cu,Ni)3Sn 化合物的混合組織.與銅-錫界面處相似，凝固前端的成分過冷和溫度過冷導(dǎo)致顯微組織向焊縫中心處呈柱狀晶長大.但與銅-錫界面處仍舊存在不同之處，(Cu,Ni)6Sn5與(Cu,Ni)3Sn4兩種化合物之間呈非連續(xù)狀態(tài)，其原因在于鎳、錫之間反應(yīng)形成Ni3Sn4造成體積收縮所導(dǎo)致[24].

2.4 焊接接頭力學(xué)性能

圖6 給出了兩種焊接接頭的最大剪切力及宏觀斷口形貌.從圖中可以看出，回流焊及激光釬焊接頭的斷裂位置都位于銅母材處，且最大剪切力分別為369 和320 N.究其原因，與回流焊相比，激光釬焊因具有較高的熱輸入使得界面處形成了尺寸較大的金屬間化合物，可能是導(dǎo)致強度略微下降的原因[26].但在實際生產(chǎn)中，鎳-銅接頭的最大剪切力不低于100 N 則為符合強度設(shè)計要求.對于上述兩種焊接方式，盡管激光釬焊接頭的最大剪切力略低于回流焊，但遠(yuǎn)高于實際生產(chǎn)要求，因此激光釬焊既能夠滿足實際產(chǎn)線鎳-銅焊接的實際生產(chǎn)要求，又具備可選區(qū)連接、靈活、易操作等特點，可成為替代回流焊的可行性技術(shù)之一.

圖6 銅-鎳焊接接頭性能Fig.6 Mechanical properties of Cu-Ni welded joints.(a)maximum tensile force;(b) macro-morphology of fracture for reflow soldering joints;(c) macromorphology of fracture for laser soldering joints

3 結(jié)論

(1) 回流焊及激光釬焊均可實現(xiàn)鎳-銅微箔的有效連接，焊縫均勻且成形良好，無明顯缺陷；回流焊焊縫中心由錫的固溶體組成，激光釬焊焊縫由錫的固溶體和等軸晶狀的Cu-Sn 金屬間化合物混合組織組成.

(2) 回流焊在銅-錫界面處顯微組織變化規(guī)律為銅固溶體→Cu3Sn→Cu6Sn5金屬間化合物，且呈扇貝狀形貌，而在鎳-錫界面處則為連續(xù)的(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物.激光釬焊在銅-錫界面處形成多種Cu-Sn 的金屬間化合物，且呈現(xiàn)連續(xù)的枝晶狀形貌；而在鎳-錫界面處則形成(Cu,Ni)6Sn5與(Cu,Ni)3Sn4，且組織呈現(xiàn)非連續(xù)性.

(3) 回流焊及激光釬焊接頭的最大剪切力度分別可達(dá)369 和320 N，均滿足實際工程應(yīng)用需求，激光釬焊有望成為替代回流焊的可行性技術(shù).