鋁制散熱翅片低溫釬焊技術研究

楊飛，羊應官，龍輝文，楊竹溪

（北京理工大學 重慶創新中心，重慶 401120）

0 引言

隨著電子設備功能的逐漸增強，體積越來越小，而其功耗卻越來越大，以毫米波雷達常用芯片AWR2243為例，其體積功率密度已達到50 W/cm3。由此帶來的問題就是其發熱量急劇增加，若熱量不能及時散出，將直接影響芯片的性能及使用壽命，從而影響整個設備的可靠性[1]。因此，散熱問題已成為高體積功率密度電子設備不可忽略的重大問題。

常用的散熱方式是將芯片熱量通過熱傳導方式傳遞至散熱翅片，再通過空氣進行冷卻。熱傳導介質通常是熱管或者鋁基板，而熱傳導介質與散熱翅片之間的連接通常采用機械連接，傳遞熱阻較大，不利于熱傳導。因此，改善熱傳導介質與散熱翅片之間的熱阻是提高散熱性能的重要途徑[2]。

本文采用將熱管或者鋁基板與散熱翅片以焊接的方式進行連接，從而降低兩者之間的熱阻。首先制作了鋁塊作為試件，在鋁件表面進行鍍鎳、鍍銅，再涂覆Sn63/Pb37低溫焊膏，最后在回流焊爐內將兩者焊接。其焊接機理為鍍銅層與焊膏發生了冶金反應，形成一層很薄的金屬間化合物Cu6Sn5，從而實現了緊密連接。該連接方式最大程度降低了連接熱阻，提高了熱傳導性能。文中對焊后的焊塊進行了焊縫力學性能拉伸檢測，以及對散熱翅片與基板焊接的焊縫進行了X射線檢測。結果表明此種低溫焊接方式滿足強度設計要求[3]。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料及試件準備

電子設備殼體常用材料為防銹鋁合金5A06，散熱翅片材料為鋁合金3003，為保證焊接試塊與產品材料一致性，故選用材料為5A06的基板，材料為3003的焊件。

為驗證焊膏涂覆深度對焊接剪切強度的影響，加工不同涂覆深度尺寸的基板數量3塊，在基板上銑加工出涂覆焊膏區域，基板外形尺寸如圖1（a）所示，其涂覆深度如表1所示。加工相同尺寸的焊件數量3塊，其尺寸如圖1（b）所示。試塊焊接示意圖如圖1（c）所示。

表1 基板涂覆深度表

圖1 試塊尺寸及焊接示意圖

1.2 電鍍工藝

鋁合金的焊接性能較差，又加上焊膏在鋁合金表面潤濕性能較差，無法直接釬焊鋁合金。為使焊膏與鋁塊緊密結合，本文采用在鋁合金表面電鍍一層過渡層，使鍍層與焊膏實現緊密結合。

若在鋁合金表面直接鍍銅，其鍍銅層與基體之間的連接強度較差，故在鍍銅前在鋁合金表面先鍍鎳，作為打底層，再鍍銅，該工藝能夠顯著提高鍍銅層與基體之間的連接強度。

鋁合金電鍍鎳的一般工藝流程為：脫脂堿蝕二合一→水洗→酸洗→水洗→去灰→水洗→堿性活化→浸鋅→水洗→鍍鎳→水洗→烘干。電鍍鎳溶液組成及工藝條件如表2所示。鍍鎳層厚度控制在3～5 μm。

表2 電鍍鎳溶液組成及工藝條件

鋁合金電鍍銅的一般工藝流程為：除油除氧化膜二合一→水洗→酸中和→水洗→預處理→水洗→電鍍→水洗→烘干。電鍍銅溶液組成及工藝條件如表3所示[4]。鍍銅層厚度控制在15～25 μm[5]。

表3 電鍍銅溶液組成及工藝條件

1.3 涂覆焊膏

焊膏選用Sn63/Pb37中溫錫鉛焊膏。將焊膏均勻涂覆在每個基板上的涂覆區域，填滿并刮去多余焊料。該焊膏預熱溫度為90～150 ℃，熔點為183 ℃。

1.4 釬焊工藝

1.4.1 預熱及釬焊溫度仿真

焊接過程中，試件是在工裝夾持下進入回流焊爐內進行焊接，為得到焊接的預熱時間及焊膏溫度，使用ANSYS軟件對焊接過程進行模擬仿真。

1）材料參數。5A06材料導熱系數隨溫度的增加而增加，其導熱系數如圖2所示。

圖2 材料5A06的導熱系數

Sn63Pb37焊膏相關物性參數如表4所示。

表4 Sn63Pb37物性參數

2）溫度邊界條件。高溫回流焊爐共10個溫區，每個溫區可設置不同溫度，最高溫度300 ℃，托盤行進速度為700 mm/min，從入口至出口總長度為3700 mm，焊件在每個溫區的停留時間為31.7 s，相鄰溫區之間的過渡距離約為80 mm，時間為6.9 s。因此，ANSYS仿真環境溫度按照試件在回流焊爐內行進過程中的溫度進行設置，回流焊爐各溫區溫度初始設置如圖3所示。

圖3 回流焊爐各溫區溫度設置

環境溫度設置為25 ℃，焊件在回流焊爐內受熱輻射及熱氮氣對流而升溫，其中熱輻射可通過式（1）轉換為對流傳熱系數hr：

其中，q為施加在單位面積上的總熱量，J/m2。

對焊件及工裝上下表面按式（4）編輯UDF命令對焊件施加對流載荷[6]。

3）查看結果。仿真結果得到焊膏的溫升曲線如圖4所示。從圖中可以看出，焊膏從25 ℃升溫至預熱溫度100 ℃所需時間約為118 s，此時焊塊溫度如圖5（a）所示；溫升至190 ℃所需時間為247.7 s，此時焊塊溫度如圖5（b）所示，該時刻已超過焊膏熔點；在283.5 s時，焊膏溫度達到最高，為208.9 ℃，此時焊塊溫度如圖5（c）所示；在出回流焊爐時焊塊最大溫度為207 ℃，此時焊塊溫度如圖5（d）所示。200 ℃以上溫度持續時間約40 s，由溫度曲線可得出，此溫度設置滿足焊接過程。

圖4 焊膏溫升曲線

圖5 焊塊在各時間節點的溫度

1.4.2 釬焊

將基板與焊件進行裝配，并采用剛性工裝進行裝夾。根據ANSYS瞬態熱仿真時的加載溫度對回流焊爐進行參數設置。焊接完成后，空冷至室溫。焊接成型后的焊塊如圖6所示。

圖6 焊接成型后的焊塊

1.5 表面處理

鋁合金、鍍銅層及焊縫在空氣中防腐蝕性能比較差，在零件裝入設備前通常進行表面處理以提高防腐蝕性能。本文采用的表面處理方法為鈍化處理，將3個焊塊進行鈍化處理。鈍化處理一般工藝流程為：化學除油→水洗→預腐蝕→水洗→強腐蝕→水洗→出光→水洗→弱腐蝕→水洗→鈍化處理→水洗→吹干。鈍化處理溶液組成及工藝條件如表5所示。

表5 鈍化處理溶液組成及工藝條件

1.6 鹽霧試驗

為驗證腐蝕對焊塊焊接強度的影響，將焊塊進行鹽霧試驗，鹽霧試驗按照標準GJB 150.11A-2009進行。試驗溫度為35 ℃±2 ℃，試驗時間為96 h（2個24 h噴鹽霧階段和2 個24 h干燥兩種狀態，交替進行）。

2 試驗檢測結果與討論

2.1 焊縫力學性能檢測與分析

按照GB/T 11363 -2008《釬焊接頭強度試驗方法》對焊塊進行剪切強度試驗。采用拉力機UTM4204 對3個焊塊進行拉力試驗。得到測試曲線如圖7（a）～圖7（c）所示；焊塊拉斷后結果如圖7（d）所示。根據測試曲線可以得到拉斷力大小，并計算出焊縫剪切強度如表6所示。焊縫剪切強度平均值為20.3 MPa，涂覆深度為0.16 mm時，焊縫剪切強度達到最大值21.78 MPa。

圖7 焊塊拉伸測試曲線與拉斷后結果

表6 焊塊拉斷力與焊縫剪切強度

2.2 X射線檢測

為進一步檢測散熱翅片與基板在上述焊接工藝條件下的焊縫質量，采用材料為3003的散熱翅片與材料為5A06的基板，按照上述工藝再次進行焊接，焊接完成后的試件如圖8所示。

圖8 散熱翅片與基板的焊接

對試件進行線切割，按照尺寸50 mm×50 mm切割一塊矩形樣件，采用X光對樣件焊縫進行分析，如圖9所示。從圖9可以看出，焊縫中間區域無夾渣、氣泡及裂紋等，只在焊縫的邊緣處有不連續情況產生，經分析可知，這是屬于少量的釬料堆積，對焊縫質量的影響較小。由此可以得出散熱翅片與基板之間采用該工藝方法進行焊接是可行的。

圖9 散熱翅片與基板的焊縫X光檢測

3 結論

通過在鋁合金試塊表面電鍍鎳3～5 μm作為過渡層，再電鍍銅15～25 μm作為與焊膏冶金反應的結合層。采用ANSYS仿真軟件，模擬得到了Sn63/Pb37焊膏在焊接過程中的溫升曲線。將仿真中的溫度設置加載到回流焊爐，實現了鋁合金之間的低溫釬焊。通過對焊塊作鈍化表面處理與鹽霧試驗后進行剪切強度試驗，得到焊塊剪切強度平均值為20.3 MPa，焊膏涂覆深度為0.16 mm時剪切強度達到最大值21.78 MPa。焊塊斷裂處位于焊膏與銅鍍層形成的合金層，鍍層無剝離和脫落現象，鍍層強度滿足釬焊要求。

在同等工藝條件下進行了散熱翅片與基板之間焊接，并對焊縫進行X光檢測，分析得到焊膏填充飽滿，焊縫質量良好。

采用Sn63/Pb37焊膏低溫焊接的鋁合金散熱翅片，可以滿足熱管、機箱等設備基板與散熱翅片的焊接，滿足小批量設備測試需求，具有一定應用價值。