CN105665956A

CN105665956A - 一种用于钎焊铝及其合金的软钎料合金

Info

Publication number: CN105665956A
Application number: CN201610168468.0A
Authority: CN
Inventors: 徐宏达; 马鑫; 任晓敏
Original assignee: Han Er Of Shenzhen Believes Electronic Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Han Er Of Shenzhen Believes Electronic Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-06-15

Abstract

公开了一种用于钎焊铝及其合金的软钎料合金，通过在金属锡中添加金属银和/或铜，不但可以实现低温软钎焊，而且可以在钎料与铝及其合金结合界面形成连续金属间化合物层，避免锡与铝电偶形成，从而彻底解决含有金属锡的软钎料焊接铝及其合金的焊点抗电化学腐蚀性差的问题。

Description

一种用于钎焊铝及其合金的软钎料合金

技术领域

本发明涉及一种钎焊技术领域，特别涉及一种用于钎焊铝及其合金的软钎料合金。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

与铜相比，铝及其合金的热导率和电导率接近，其密度却仅为铜的1/3、材料成本也只有铜的20％-30％，因其以上优点，出于减轻重量，提高效率，增强机动性和降低能耗等原因，在现代航天、航空、军事和汽车等工业生产领域中都竭尽可能使用铝及其合金替代铜。铝及其合金能否在更广泛的领域(如通信、家电、消费电子产品等)替代铜，关键技术在于能否如铜软钎焊一样在较低焊接温度即可实现批量、稳定和高可靠的钎焊连接焊点。

与铜的软钎焊相比，铝及其合金软钎焊技术主要存在以下2个技术难点需要解决：

1.铝及其合金表面氧化膜致密难于去除

与铜一样，若要实现铝及其合金的润湿和焊接，必须首先去除其表面氧化膜。与铜氧化膜(Cu₂O和CuO)相比，铝及其合金表面氧化膜(Al₂O₃)极为致密，这层氧化膜不但能在一般大气环境稳定存在，也可以在pH值为4-8.5之间的环境稳定存在。对于电子行业常用的软钎剂，一般都为共价键的弱酸，无法去除铝其合金表面的氧化物，而如果使用由重金属的氟硼酸盐(如氟硼酸锌、氟硼酸铵)和胺类有机载体等组成的活性更强的钎剂，不但对铝硅、铝镁等难焊铝合金润湿和焊接效果不佳，而且焊后钎剂残留物腐蚀性强且极易吸水，因此，必须增加清洗工艺，这无疑将增加焊接工艺成本。

2.铝及其合金软钎焊接头抗电化学腐蚀性能差

纯铝的熔点为660.4℃，使用铝基钎料(如铝-硅和铝-铜等)虽然不存在焊接接头抗电化学腐蚀性差的问题，但铝基钎料的熔化和焊接温度过高，无法实现铝及其合金低温连接，不适用于大部分电子产品。而若想实现铝及其合金低温软钎焊，必须选用非铝基钎料(如常用的锡-锌，锌-铝等钎料)，但由于铝本身电极电位明显低于其他常见金属，这些钎料的主体组成成分(如锡、锌等)与铝母材合金化后将在焊点结合界面构成电偶，在电解质溶液或潮湿空气中，焊接接头位置将因发生电化学反应而在短期内迅速腐蚀开裂失效，导致铝及其合金软钎焊接头的长期可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种铝及其合金的钎焊方法，不仅能够快速去除率及其合金表面的氧化膜，还能避免铝及其合金与钎料中的锡形成电偶，提高焊接接头抗电化学腐蚀性能。

根据本发明的用于钎焊铝及其合金的软钎料合金，由以下元素组成：金属锡、银和/或铜、镓和/或锗。

优选地，以重量计，所述软钎料合金中银和/或铜的含量为1％～15％，镓和/或锗的含量为0.001％～8％，余量为锡。

优选地，以重量计，所述软钎料合金进一步包含0.1％～60％的铟。

优选地，以重量计，所述软钎料合金进一步包含0.1％～60％的铋。

优选地，所述软钎料合金中镓和锗的总含量与铋的含量的比值为：1:20～25。

优选地，所述软钎料合金进一步包含锑。

优选地，以重量计，所述软钎料合金中锑的含量为0.1％～10％。

优选地，所述软钎料合金进一步包含镍和/或钴。

优选地，以重量计，所述软钎料合金中镍和/或钴的含量为0.01％～1％，余量为锡。

优选地，以重量计，所述软钎料合金中，银和铝的总含量、锑的含量、镍和钴的总含量之间的比值为：10～60:1～25:1。

根据本发明的用于钎焊铝及其合金的软钎料合金，通过在金属锡中添加金属银和/或铜，不但可以实现低温软钎焊，而且可以在钎料与铝及其合金结合界面形成连续金属间化合物层，避免锡与铝电偶形成，从而彻底解决含有金属锡的软钎料焊接铝及其合金的焊点抗电化学腐蚀性差的问题。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是采用现有技术中的软钎料合金钎焊铝合金1060的焊点结合面的扫描电镜示意图；

图2是采用本发明优选实施例的软钎料合金钎焊铝合金1060的焊点结合面的扫描电镜示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

由于铝本身电极电位明显低于金属锡，软钎料合金中的金属锡与铝母材合金化后将在焊点结合界面构成电偶，在电解质溶液或潮湿空气中，焊接接头位置将因发生电化学反应而在短期内迅速腐蚀开裂失效，导致铝及其合金软钎焊接头的长期可靠性差。为了避免电偶的形成，提高铝及其合金软钎焊接头的抗电化学腐蚀性，本发明在金属锡中添加金属银和/或铜。一方面，锡的熔点较低，使用金属锡能实现低温焊接。另一方面，银可以与铝生成Ag₂Al等金属间化合物，铜可以与铝生成CuAl₂等金属间化合物。键参数函数理论表明，键强度f值越大，两金属间亲和力越大，越有易于形成金属间化合物。表1示出了银(Ag)-铝(Al)和银(Ag)-锡(Sn)、铜(Cu)-铝(Al)和铜(Cu)-锡(Sn)之间的键强度值。

表1键强度f的计算值

从表1可以看出：铝(Al)-银(Ag)和铝(Al)-铜(Cu)金属间亲和力远大于锡(Sn)-银(Ag)和锡(Sn)-铜(Cu)金属间的亲和力。因此，在钎焊过程中，当软钎料里含有银和铜元素中的一种或两种时，银和铜将向铝及其合金表面发生化学选择吸附，并在接头界面形成Ag₂Al或CuAl₂等一种或多种金属间化合物，避免锡-铝电偶(即锡与铝扩散层)形成，从而提高接头抗电化学腐蚀性能。

银和/或铜的添加量对钎焊效果具有重要影响，若添加量过少，焊接后无法在金属锡与铝及其合金之间形成连续金属间化合物，因而无法改善焊接接头的电化学腐蚀性问题；若添加量过多，会提高软钎料合金的成本，并且会使软钎料的熔化和焊接温度过高。软钎料合金中金属银和/或铜的添加量可以根据实际焊接环境、焊接要求等因素进行确定，根据本发明的优选实施例，以重量计，软钎料合金中银和/或铜的含量均为1％～15％。

为了去除铝及其合金表面致密的氧化膜，本发明在金属锡中添加金属镓和/或锗。利用本发明的软钎料合金对铝及其合金进行钎焊的过程中，镓和锗不但可以与铝反应，破坏铝及其合金表面氧化物，增加软钎料与铝及其合金界面的表面张力，而且与软钎料中其他元素相比，镓和锗与氧具有更高的亲和力，在软钎料熔融状态下，镓和锗将向软钎料表面偏聚，优先与空气及其他来源的氧反应生成镓和锗的氧化物，阻止软钎料本身进一步氧化，降低软钎料表面张力，从而使软钎料在钎剂或机械、高压和超声波等外力作用下更容易在铝及其合金表面润湿铺展，实现软钎料的自湿润。

镓和/或锗的添加量对去除铝及其合金表面的致密氧化膜以及实现软钎料的自湿润效果具有重要影响，若添加量过少，将无法有效阻止软钎料氧化，也无法有效去除铝及其合金表面氧化物，提升软钎料的润湿性；若添加量过多，软钎料成本过高，而且有可能破坏铝及其合金的自身结构。软钎料合金中金属镓和/或锗的添加量可以根据实际焊接环境、焊接要求等因素进行确定，根据本发明的优选实施例，以重量计，软钎料合金中镓和/或锗的含量均为0.001％～8％。

金属锡为本发明的软钎料合金中的余量元素，其添加量由软钎料中其他金属的含量决定。

可以在软钎料合金中添加金属铟和/或铋。铟和铋不但可以固溶于锡基体，并且在固溶强化后提高软钎料的屈服强度和焊接接头的抗疲劳性能，而且还可以分别与锡形成熔点分别为120℃和138℃的锡(Sn)-铟(In)、锡(Sn)-铋(Bi)低熔点共晶合金，起到调节软钎料的熔化和钎焊温度作用。金属铟和/或铋的添加量可以根据实际焊接要求进行确定，若铟或铋添加量过少，无法起到固溶强化作用；若铟的添加量过多，不但软钎料成本过高，还会降低软钎料本身的屈服强度。若铋的添加量过多，软钎料会变得很脆且润湿性变差；优选地，以重量计，软钎料合金包含0.1％～60％的铟，和/或软钎料合金进一步包含0.1％～60％的铋。

根据前述内容可知，在软钎料中添加金属镓和/或锗可以提高软钎料的润湿性，并且在适宜的添加量范围内金属镓和/或锗的添加量越多，软钎料的润湿性越好；在软钎料中添加金属铋也可以提高软钎料的润湿性，并且在适宜的添加范围内金属铋的添加量越多，软钎料的润湿性越好。然而当软钎料中同时含有金属镓和铋、或者同时含有锗和铋时，有时候即使金属镓和/或锗的添加量以及金属铋的添加量非常小，仍然可以起到很好的提高软钎料润湿性的效果。本发明的发明人经过长期的研究发现，在软钎料合金中，金属镓和/或锗与金属铋之间存在显著的相互作用，当软钎料合金中镓和锗的总含量与铋的含量的比值为1:20～25时，对软钎料润湿性的提高效果较明显，在达到相同润湿效果的基础上，可以显著降低金属镓和/或锗与金属铋的添加量，进而降低了软钎料的成本。

软钎料合金可以进一步包含锑。锑可以固溶于锡基体，固溶强化并提高软钎料屈服强度和焊接接头抗疲劳性能。若锑的添加量过少，无法起到固溶强化作用；若锑的添加量过多，会使软钎料的熔化和焊接温度过高。根据本发明的优选实施例，以重量计，软钎料合金中锑的含量为0.1％～10％。

软钎料合金可以进一步包含镍和/或钴。镍和钴可以促进软钎料冷却凝固时晶粒形核，细化软钎料晶粒，提高软钎料塑性和韧性。若镍和/或钴的添加量过少，无法起到细化晶粒作用；若镍和/或钴的添加量过多，会使软钎料的熔化和焊接温度过高。优选地，以重量计，软钎料合金中镍和/或钴的含量为0.01％～1％。

本发明的发明人发现，当软钎料合金中同时包含银和/或铝、锑、镍和/或钴时，在银和/或铝的添加量、锑的添加量、镍和/或钴的添加量相同的情况下，若软钎料合金中银和铝的总含量、锑的含量、镍和钴的总含量之间的比值为10～60:1～25:1，则可以显著降低软钎料的熔化和焊接温度，实现低温钎焊。

本发明对软钎料合金的具体形式和焊接方式没有限定，比如可以将软钎料合金制做成锡膏、锡条、锡线等各种形式，也完全可以用于回流焊接、波峰焊接、浸焊和超声波焊接等各种焊接工艺。

本发明的软钎料合金适用于各种常用的铝及其合金，例如纯铝、铝硅、铝镁、铝铜等。

实施例1

采用现有技术中的软钎料对铝合金1060进行焊接，其中软钎料合金的原料配比为：锡Sn：99.3％，铜Cu：0.7％。通过铝专用焊剂在260℃条件下对铝合金1060进行焊接。图1是实施例1得到的焊点结合面的扫描电镜示意图。

实施例2

软钎料合金的原料配比为：锡Sn：94.1％，银Ag5.0％，铜Cu：0.7％，镓Ga：0.1％，锗Ge：0.1％。其他条件与实施例相同。图2是实施例2得到的焊点结合面的扫描电镜示意图。

从图1和图2可知，在相同条件下，采用本发明的软钎料合金进行焊接时，能够在铝及其合金与金属锡之间形成连续的金属间化合物Ag₂Al，因此能够避免锡-铝电偶形成，提高焊接接头的抗电化学腐蚀性。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims

1.一种用于钎焊铝及其合金的软钎料合金，其特征在于，所述软钎料合金由以下元素组成：金属锡、银和/或铜、镓和/或锗。

2.如权利要求1所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金中银和/或铜的含量为1％～15％，镓和/或锗的含量为0.001％～8％，余量为锡。

3.如权利要求2所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金进一步包含0.1％～60％的铟。

4.如权利要求3所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金进一步包含0.1％～60％的铋。

5.如权利要求4所述的软钎料合金，其特征在于，所述软钎料合金中镓和锗的总含量与铋的含量的比值为：1:20～25。

6.如权利要求4所述的软钎料合金，其特征在于，所述软钎料合金进一步包含锑。

7.如权利要求6所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金中锑的含量为0.1％～10％。

8.如权利要求7所述的软钎料合金，其特征在于，所述软钎料合金进一步包含镍和/或钴。

9.如权利要求8所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金中镍和/或钴的含量为0.01％～1％，余量为锡。

10.如权利要求9所述的软钎料合金，其特征在于，以重量计，所述软钎料合金中，银和铝的总含量、锑的含量、镍和钴的总含量之间的比值为：10～60:1～25:1。