電器產品中鋁合金釬焊用低溫釬料的研究進展

萬 超 王 玲,2 曹 諾

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

前言

鋁及鋁合金具有質量輕、易加工、耐腐蝕以及優異的導電導熱性能等眾多優點，在電器電子產品中波導器件、散熱器、框架結構等部件上均有廣泛應用。隨著鋁合金的應用越來越廣泛，其對應的焊接技術也越來越受到重視。釬焊作為目前應用領域最廣的一種焊接方法，與熔化焊、壓力焊相比，具有工藝簡單且適應性強等優點，也是目前鋁合金最常用的焊接方法。

在電器電子產品中由于部分元器件材料耐熱性能較差，不宜采用過高的釬焊溫度，同時鋁合金特別是一些高強鋁合金具有很高的溫度敏感性，釬焊溫度過高，容易導致鋁合金母材發生過燒、晶粒長大、母材溶蝕甚至過燒的現象，有研究表明[1]7075鋁在焊接溫度超過465 ℃就會發生過燒現象。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，因此開發出合適的鋁合金用低熔點釬料降低釬焊溫度，對促進鋁合金特別是高強鋁合金在電器電子產品中的應用意義重大，為此國內外學者也開展了大量的研究。目前鋁合金用低熔點釬料的研究主要集中在Sn基、Zn基以及新型低溫復合焊料這三個方向。本文將從這三個方面綜述目前國內外的相關研究進展，以期為鋁合金釬焊技術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，被美國愛迪生焊接研究院認為是釬焊鋁合金的一種最具發展潛力的釬料。目前電器電子產品中的電子元器件的釬焊一般都采用Sn基釬料。由于純錫的機械性能較差，目前一般采用合金化的方式來提高Sn基釬料的機械性能。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械性能，但由于鉛元素對環境及人體健康具有較大危險，Sn基釬料的無鉛化一直是行業的研究熱點。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上添加其他金屬成分改進的釬料。

1.1 Sn-Zn釬料

Sn-Zn釬料具有較高的機械力學性能且熔點與Sn-Pb釬料相近，是近年來比較受關注的一種Sn基無鉛釬料。Zn元素的添加可明顯提高釬焊接頭的力學性能，陳偉[2]研究發現，采用純Sn釬焊鋁合金時力學性能只有40 MPa，而采用Sn-Zn釬料時力學性能可達到170 MPa以上。北京大學陳榮[3]等人通過研究液態Sn-Zn釬料與鋁合金的作用機制，發現Zn元素添加后可向鋁母材晶界滲透形成Zn-Al固溶體，同時鋁母材中部分鋁向Sn-Zn釬料中滲入生長形成Al-Sn-Zn針狀固溶體，改變了純錫釬焊時單純的Sn/Al界面，從而有效提高了釬焊接頭的力學性能。

Sn-Zn釬料雖然具有釬焊溫度低、釬焊力學性能強等優點，但仍存在很多不足，如潤濕性差、抗氧化性能差、耐腐蝕性差等。為此，學者們通過在該合金的基礎上添加其他合金元素來改善釬料的性能。劉亮岐[4]研究發現，在Sn-Zn釬料中Ag元素的添加可改善釬料對鋁母材的潤濕性能及釬焊接頭的抗氧化性能。王慧等[5]通過在Sn-Zn釬料中添加微量的Al，釬焊時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釬料釬焊鋁合金時具有優異的機械物理性能且釬焊后接頭可靠性優越，錢乙余教授[6]等人研究表明，Ag元素會與Al合金發生選擇性吸附并且在結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元素含量會對Ag2Al的生長位置和長大方式產生影響，發現當Ag元素含量較低時，Ag2Al 組織結構粗大且呈島鏈狀分布在釬料層，只有當Ag元素含量較高時，Ag2Al才連續均勻的分布在鋁母材表面。

Sn-Ag釬料由于釬料中含有Ag會導致釬料成本偏高，同時焊料還存在潤濕性能較差等問題。目前對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，研究發現Cu元素的添加可以細化合金組織從而提高釬焊接頭的力學性能[8]。另外Kaban等人[9]研究發現，在Sn-3.5Ag釬料中添加Bi元素可以明顯提高釬料的潤濕性能。Wu等人[10]發現，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濕力。

1.3 Sn-Cu 釬料

Sn-Cu 二元合金的共晶點是Sn-0.7Cu，共晶溫度為227 ℃，因該釬料價格便宜、無毒無害且具有較好的綜合性能，目前已經在電子電器行業回流焊中得到一定的應用。然而在Sn-Cu 釬焊鋁合金的研究結果中表明[7]，該釬料對鋁合金潤濕性能較差，并且在釬焊接頭的結合界面上，并沒有發現生成新的明顯化合物，因此所得到的釬焊接頭力學性能較差。為此，研究者們對該釬料也進行了一系列的研究改進。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，細化釬料在凝固時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性能。孫立恒[12]研究了微量Ni、Re元素對Sn-0.7Cu釬料性能的影響，研究發現Ni、Re元素一定范圍的添加均可以細化焊接層結構組織、減小界面層厚度，提高釬焊接頭的力學性能。其中，Ni元素添加上限為0.3 wt%時，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基無鉛釬料的綜合性能及實用性將是今后的研究發展方向。

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元素的晶體結構接近，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械性能，目前在電器產品的散熱器、框架結構等部件有較多應用。由于純Zn在凝固時體積收縮率較大，采用純Zn為釬料釬焊鋁合金時，容易在焊縫中形成縮孔，從而影響釬焊接頭的力學性能，因此不宜單獨采用純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℃，共晶點是Zn-5Al。但Zn-5Al釬料本身的機械性能及釬焊工藝性能均較差，目前一般通過改變Al合金的含量提高Zn-Al釬料在鋁合金母材上的潤濕性能和釬焊接頭的力學性能。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]，研究結果發現，Zn-Al釬料中Al元素的含量在一定范圍內的增加可以提高釬料的潤濕性能，提高釬焊接頭的力學性能，超過一定范圍后繼續增加Al元素含量反而會惡化釬焊接頭的力學性能。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化相的數量，但鋁含量過高會導致釬縫中的枝狀共析組織變得粗大，從而惡化接頭力學性能。

由于Zn-A1釬料熔融后的流動性較差，采用其釬焊鋁合金時形成的焊縫容易出現不飽滿或不光滑的現象，同時由于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量。為提高Zn-A1釬料的焊接質量，研究者們通常會在Zn-A1合金的基礎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，同時改善釬料在鋁母材上的鋪展性能。彭志輝等人[15]通過研究Cu元素對焊縫微觀結構的影響，發現Cu元素添加會在 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，從而增強釬焊接頭力學性能的。孔聰等人[16]研究了Zn-Al-Cu釬料中Cu元素含量對釬焊性能的影響，發現當Cu元素的含量低于其在Al中溶解度時，Cu元素的增加，釬料在鋁母材上的鋪展面積也隨之增加，當Cu元素的含量達到飽和時Zn-Al-Cu釬料的潤濕性能最好。并且研究發現Cu元素的添加還會對焊縫組織起到較好的彌散強化作用，提高釬焊接頭的力學性能。

2.3 Zn-Al-Ag 釬料

研究表明Ag元素的添加可以細化Zn-Al釬料的微觀組織，從而提高釬焊接頭的力學性能。孔聰[17]通過在85Zn15Al釬料中添加不同含量的Ag元素，測試其含量對釬焊性能的影響，研究發現Ag元素的添加會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，同時通過微觀結構觀察可發現Ag元素對釬縫組織具有較好的固溶強化作用，從而有效提高釬焊接頭力學性能。張滿等人[18]采用Zn-Al釬料釬焊銅/鋁基板，研究了Ag元素的添加對焊接性能的影響，研究發現Ag元素的添加可明顯同時促進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性能。對釬縫顯微組織觀察發現，Ag元素的添加還可以細化釬縫內部塊狀的銅鋁脆性相。

目前針對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偏高、潤濕性差等缺點，同時由于Zn基焊料中Zn加熱過程中易升華，不適合應用于真空釬焊，這也部分限制了其的應用，因此未來進一步降低釬料的熔點、提高釬料的潤濕性、提高釬焊接頭可靠性等仍將是Zn基釬料的研究方向。

3 新型復合釬料

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

雖然新型低溫高強度復合釬料具有制備簡單、機械力學性能強等優點，但由于其釬焊時，釬料只能部分熔化，導致釬料的流動性較差，釬焊時焊接接頭部分容易出現缺陷。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，但由于操作復雜、工藝適配性差還僅停留在實驗階段。目前新型低溫高強度復合釬料的研究主要還集中在制備不同成分的低溫高強度復合釬料上，對其釬焊作用的界面反應機理及降低焊接缺陷的研究還較少，相關的研究將會是新型復合釬料的重點研究方向也是促進新型低溫高強度復合釬料廣泛應用的關鍵。

4 結論與展望

隨著電器電子產品向體積微型化和功能集成化方向迅速發展，使得微電子系統對互連焊點的可靠性要求越來越高。雖然Sn基和Zn基釬料在電器產品中鋁合金的釬焊工藝中都有了一定的應用，但對應的釬料或多或少均存在一定的缺陷及局限性，仍需要持續不斷的改進。新型復合釬料作為一種新興釬料，雖然還存在潤濕性能差、工藝適配性差等缺點，但由于其具有力學性能強、成份結構調整簡單，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的精確焊接，相信其將會具有更好的發展前景。