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CN114434039B - 一种铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法 - Google Patents

一种铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法，采用以厚度小于为0.5mm的纯Sn带或Sn合金带为中间焊接基体，用粉末模压成形的方法在中间焊接基体一侧或两侧压制一层均匀且致密的厚度为0.05‑0.5mm的锌层制得的。本发明的铜铝异材低温互连的焊料价格便宜、制备工艺简单、不存在元素不均匀现象，焊缝宽度极易控制，不改变焊料主体成分的情况下活化焊料焊料表面、改善界面IMC成分，通过超声的振动，促使母材表面氧化膜破碎，进而使锌层与母材发生冶金反应，实现Cu/Al的低温无助焊剂互连。

Description

一种铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，涉及一种铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法。
背景技术
在当今的电子封装行业中，由于铅对环境和人类健康的危害，性能优异的SAC305、SAC0307无铅焊料取代含铅焊料，被广泛应用于电子元器件与印刷电路板之间的连接材料。并且随着电子器件的小型化、集成化和高密度化，焊接区域更小且离电子器件更近，即电子器件对焊接温度更敏感。但是SAC305、SAC0307无铅焊料的熔点比SnPb37的至少高30℃，所以若按照常规焊接方法焊接电子元器件与印刷电路板，不仅焊接温度高、时间长，而且需要更耐热的钎剂；导致极易使热敏电子元器件寿命受损甚至直接失效，焊点可靠性也得不到保证，从而造成资源的极大浪费和公司名誉的受损。因此，焊接温度低、焊接效率高、焊接可靠性高的无铅焊料焊接方法是现在电子封装行业迫切需求。
对于铜/铝材料在低温下的焊接来说，在已有专利中，重庆理工大学20190517专利CN109759742A公布了一种无钎焊剂用的焊料及焊接方法，包括锡基材质的中间焊接体，在中间焊接体表面或表面设置的孔内或凹坑内，涂覆或埋置有直径在1-1000nm范围的活性纳米颗粒的镍粉、钴粉、锡粉、钛粉、铜粉中的任一种，或任两种，或任三种，或任四种，或五种混合的粉末。实现无铅焊料全固相或半固态的低温互连。在已有专利中，哈尔滨理工大学20181002专利CN108615689A公布了一种用于功率器件封装的全Cu3Sn化合物接头的制备方法，首先将Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔；然后在清洗后的Sn箔的两面涂抹助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；最后将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于热压焊机工作台上，控制加热温度为250℃-400℃，钎焊时间为1s-9.9s，进行连接，连接过程中持续施加0.05MPa-0.7MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃以下，即完成所述的用于功率器件封装的全Cu3Sn化合物接头的制备。
上述例子的特点包括活性纳米颗粒多数为贵金属，活性太强，焊料粉末难以混合均匀，凹坑制作难度大，且工艺的重复性较差，全化合物接头焊接工艺复杂、制备难度大等。因此，提出一种新型的焊接方法来解决上述问题是迫在眉睫的。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法。其所用的合金焊料，它不仅材料成本低，而且制作工艺十分新颖。在焊接时，该焊接方法操作简单、焊接时间短、焊接温度低和焊接设备要求低，不仅资源消耗小，还可以极大地提高生产效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铜铝异材低温互连的焊料，其特征在于，包括以锡带为中间焊接基体，用粉末模压成形的方法在中间焊接基体一侧或两侧压制一层厚度为0.05-0.5mm的锌层。
优选的，中间焊接基体为纯Sn带或Sn合金带，它的厚度小于为0.5mm。
优选的，锌层的原料是粒径为0.2-45μm纳米级或微米级的锌粉或锌颗粒。
优选的，粉末模压成形的方法就是在模具中根据需要放置适量的锌粉或锌颗粒和大小合适的中间焊接体，在中间焊接基体表面形成均匀、密实的Zn层的过程。
一种铜铝异材低温互连的焊接方法，以铜合金板，或铝合金板为焊接基板，以带有Zn层的中间焊接基体为焊料，通过焊接夹具把焊接基板和焊料组装好，再放在加热平台上，在焊接过程中，通过超声发生器产生振动，实现超声辅助焊接。
超声波发生器为纵向超声波发生器，超声的频率设定为20KHz、功率为600w，焊接温度为室温-200℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声辅助焊接时间为5-30s，焊接时间为120-240s。
相对于现有技术，本发明的铜铝异材低温互连的焊料及焊接方法，具有如下有益效果：
1、本发明采用的粉末模压成形把锌粉或锌颗粒制成片状，不需要制作凹凸坑，制备工艺简单，且重复性好。
2、本发明是以Sn带或Sn合金和锌粉组成的块状焊料，与Sn带或Sn合金焊料相比价格便宜，且不存在元素不均匀现象，性质稳定，且形成的焊缝宽度极易控制。
3、本发明在中间焊接基体上形成锌层，可以在不改变焊料主体成分的情况下，通过超声振动和特殊颗粒活化焊料焊料表面，改变界面IMC成分，实现铜铝的高质量互连。
4、本发明可以焊接同质或异质材料，尤其是可以焊接难以钎焊的材料，如铜合金与铝合金之间的焊接成型等；采用复合焊料的方法，可实现异种材料的快速连接，连接效率高、适应面广。
附图说明
图1为具体实施例1的装置示意图；
图2为具体实施例2的装置示意图；
图3为具体实施例3的装置示意图；
图4为具体实施例4的装置示意图；
图5为具体实施例5的装置示意图；
图6为具体实施例6的装置示意图；
具体实施方式
以下将结合具体实施方式和附图，对本发明进行详细说明。
具体实施例1
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板5的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图1所示，待焊试件按铝合金板2、上表面有Zn层3的中间焊接基体4、铜合金板5顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台7上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接温度为室温，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为30s，焊接时间为240s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上表面有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把和模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，再向模具里加适量锌粉(粒径：0.2μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上表面形成均匀、密实的厚度为0.05mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示150s时开启超声，在计时器显示180s时关闭超声，直到计时器显示240s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
具体实施例2
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板6的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图2所示，待焊试件按铝合金板2、上下表面均有Zn层(3、5)的中间焊接基体4、铜合金板6顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台8上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接温度为100℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为20s，焊接时间为180s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上下表面均有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把向模具里加适量锌粉(粒径：1μm)，再把模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，然后向模具里加适量锌粉(粒径：1μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上下表面形成均匀、密实的厚度为0.10mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示120s时开启超声，在计时器显示140s时关闭超声，直到计时器显示180s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
具体实施例3
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板5的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图1所示，待焊试件按铝合金板2、上表面有Zn层3的中间焊接基体4、铜合金板5顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台7上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接最高温度为160℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为10s，焊接时间为150s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上表面有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把和模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，再向模具里加适量锌粉(粒径：10μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上表面形成均匀、密实的厚度为0.2mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示100s时开启超声，在计时器显示110s时关闭超声，直到计时器显示150s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
具体实施例4
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板6的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图2所示，待焊试件按铝合金板2、上下表面均有Zn层(3、5)的中间焊接基体4、铜合金板6顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台8上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接最高温度为200℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为5s，焊接时间为120s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上下表面均有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把向模具里加适量锌粉(粒径：20μm)，再把模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，然后向模具里加适量锌粉(粒径：20μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上下表面形成均匀、密实的厚度为0.3mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示80s时开启超声，在计时器显示85s时关闭超声，直到计时器显示120s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
具体实施例5
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板5的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图1所示，待焊试件按铝合金板2、上表面有Zn层3的中间焊接基体4、铜合金板5顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台7上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接最高温度为160℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为20s，焊接时间为180s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上表面有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把和模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，再向模具里加适量锌粉(粒径：30μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上表面形成均匀、密实的厚度为0.5mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示120s时开启超声，在计时器显示140s时关闭超声，直到计时器显示180s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
具体实施例6
(1)将方形铝合金板2与方形铜合金板6的待焊表面区域用砂纸打磨光滑后抛光，再用酒精喷洗待焊区域表面，然后进行烘干处理；
(2)如图2所示，待焊试件按铝合金板2、上下表面均有Zn层(3、5)的中间焊接基体4、铜合金板6顺序放置在模具6的凹槽里；
(3)把放有试件的模具用大镊子放到加热平台8上，将纵向超声波发生器的超声振子1压在待焊接试件上，纵向超声波发生器超声的频率为20KHz、功率为600w，焊接最高温度为130℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为30s，焊接时间为200s。
优选的，铝合金板和铜合金板依次用400#、800#、1500#、3000#的砂纸把待焊表面打磨光滑，再用W1.5的抛光剂把他们的待焊面抛光，使其表面更平整。
优选的，上下表面均有Zn层的中间焊接基体的制作过程，把向模具里加适量锌粉(粒径：40μm)，再把模具大小相同的中间焊接基体放在模具底部，然后向模具里加适量锌粉(粒径：40μm)后加4MPa压力，在中间焊接基体上下表面形成均匀、密实的厚度为0.5mm的Zn层。
优选的，在焊接过程中，在纵向超声振子1压在铜合金板2上后就开始用计时器计时，在计时器显示140s时开启超声，在计时器显示170s时关闭超声，直到计时器显示200s时，控制超声振子1远离平台7后取下试件，试件在空气中冷却，即完成焊接。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种铜铝异材低温互连的焊料，其特征在于，包括以锡带为中间焊接基体，用粉末模压成形的方法在中间焊接基体一侧或两侧压制一层厚度为0.05-0.5mm的锌层，所述中间焊接基体为厚度不大于0.5mm的纯Sn带或Sn合金带，所述锌层是粒径为0.2-45μm纳米级或微米级的锌粉或锌颗粒，所述粉末模压成形是在模具中根据需要放置适量的锌粉或锌颗粒和大小合适的中间焊接基体，在中间焊接基体表面形成均匀、致密的锌层的过程。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝异材低温互连的焊料的焊接方法，其特征在于，以砂纸打磨平整的铜合金柱，或铝合金柱为焊接基板，以带有锌层的中间焊接基体为焊料，通过焊接夹具把焊接基板和焊料组装好，再放在加热平台上，在焊接过程中，通过超生发生器产生振动，促进母材表面和焊料表面氧化膜的破碎，实现了焊接接头的高质量互连。
3.根据权利要求2所述的一种铜铝异材低温互连的焊料的焊接方法，其特征在于，超声波发生器为纵向超声波发生器，超声的频率设定为20KHz、功率为600w，焊接温度为室温-200℃，对待焊试件进行超声辅助焊接，超声时间为5-30s，焊接时间为120-240s。
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