电器产品中铝合金钎焊用低温钎料的研究进展

万 超 王 玲,2 曹 诺

（1.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300；2.广东中创智家科学研究有限公司 广州 510663）

前言

铝及铝合金具有质量轻、易加工、耐腐蚀以及优异的导电导热性能等众多优点，在电器电子产品中波导器件、散热器、框架结构等部件上均有广泛应用。随着铝合金的应用越来越广泛，其对应的焊接技术也越来越受到重视。钎焊作为目前应用领域最广的一种焊接方法，与熔化焊、压力焊相比，具有工艺简单且适应性强等优点，也是目前铝合金最常用的焊接方法。

在电器电子产品中由于部分元器件材料耐热性能较差，不宜采用过高的钎焊温度，同时铝合金特别是一些高强铝合金具有很高的温度敏感性，钎焊温度过高，容易导致铝合金母材发生过烧、晶粒长大、母材溶蚀甚至过烧的现象，有研究表明[1]7075铝在焊接温度超过465 ℃就会发生过烧现象。钎料作为钎焊工艺中必不可少的材料，直接决定焊接温度及焊接接头的综合性能，因此开发出合适的铝合金用低熔点钎料降低钎焊温度，对促进铝合金特别是高强铝合金在电器电子产品中的应用意义重大，为此国内外学者也开展了大量的研究。目前铝合金用低熔点钎料的研究主要集中在Sn基、Zn基以及新型低温复合焊料这三个方向。本文将从这三个方面综述目前国内外的相关研究进展，以期为铝合金钎焊技术工作者今后的研究工作提供参考。

1 Sn基钎料

Sn基钎料具有钎焊温度低以及良好的工艺性能，被美国爱迪生焊接研究院认为是钎焊铝合金的一种最具发展潜力的钎料。目前电器电子产品中的电子元器件的钎焊一般都采用Sn基钎料。由于纯锡的机械性能较差，目前一般采用合金化的方式来提高Sn基钎料的机械性能。Sn-Pb钎料作为Sn基钎料最具代表性的一种钎料，具有良好的加工性能及机械性能，但由于铅元素对环境及人体健康具有较大危险，Sn基钎料的无铅化一直是行业的研究热点。目前研究的铝合金用锡基钎料主要有Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu等二元合金钎料以及在其基础上添加其他金属成分改进的钎料。

1.1 Sn-Zn钎料

Sn-Zn钎料具有较高的机械力学性能且熔点与Sn-Pb钎料相近，是近年来比较受关注的一种Sn基无铅钎料。Zn元素的添加可明显提高钎焊接头的力学性能，陈伟[2]研究发现，采用纯Sn钎焊铝合金时力学性能只有40 MPa，而采用Sn-Zn钎料时力学性能可达到170 MPa以上。北京大学陈荣[3]等人通过研究液态Sn-Zn钎料与铝合金的作用机制，发现Zn元素添加后可向铝母材晶界渗透形成Zn-Al固溶体，同时铝母材中部分铝向Sn-Zn钎料中渗入生长形成Al-Sn-Zn针状固溶体，改变了纯锡钎焊时单纯的Sn/Al界面，从而有效提高了钎焊接头的力学性能。

Sn-Zn钎料虽然具有钎焊温度低、钎焊力学性能强等优点，但仍存在很多不足，如润湿性差、抗氧化性能差、耐腐蚀性差等。为此，学者们通过在该合金的基础上添加其他合金元素来改善钎料的性能。刘亮岐[4]研究发现，在Sn-Zn钎料中Ag元素的添加可改善钎料对铝母材的润湿性能及钎焊接头的抗氧化性能。王慧等[5]通过在Sn-Zn钎料中添加微量的Al，钎焊时Al元素在熔融的钎料表面形成一层致密的氧化膜从而提高钎料的抗氧化性能。

1.2 Sn-Ag 钎料

Sn-Ag钎料钎焊铝合金时具有优异的机械物理性能且钎焊后接头可靠性优越，钱乙余教授[6]等人研究表明，Ag元素会与Al合金发生选择性吸附并且在结合面上形成一层耐腐蚀相Ag2Al，从而有效提高钎焊接头的耐蚀性。马鑫[7]等人研究了Ag元素含量会对Ag2Al的生长位置和长大方式产生影响，发现当Ag元素含量较低时，Ag2Al 组织结构粗大且呈岛链状分布在钎料层，只有当Ag元素含量较高时，Ag2Al才连续均匀的分布在铝母材表面。

Sn-Ag钎料由于钎料中含有Ag会导致钎料成本偏高，同时焊料还存在润湿性能较差等问题。目前对Sn-Ag钎料的改性通常是在钎料中添加其他元素如铜、铋、锌以及稀土等，研究发现Cu元素的添加可以细化合金组织从而提高钎焊接头的力学性能[8]。另外Kaban等人[9]研究发现，在Sn-3.5Ag钎料中添加Bi元素可以明显提高钎料的润湿性能。Wu等人[10]发现，在Sn-3.5Ag钎料中添加0.25 %的稀土元素Re也可以明显提高钎料的润湿力。

1.3 Sn-Cu 钎料

Sn-Cu 二元合金的共晶点是Sn-0.7Cu，共晶温度为227 ℃，因该钎料价格便宜、无毒无害且具有较好的综合性能，目前已经在电子电器行业回流焊中得到一定的应用。然而在Sn-Cu 钎焊铝合金的研究结果中表明[7]，该钎料对铝合金润湿性能较差，并且在钎焊接头的结合界面上，并没有发现生成新的明显化合物，因此所得到的钎焊接头力学性能较差。为此，研究者们对该钎料也进行了一系列的研究改进。研究表明[11]在Sn-Cu 钎料中添加少量的Ni元素可以明显提高Sn-Cu 钎料的润湿性能，并且Ni元素的添加还可以抑制钎料中Sn枝晶的生长，细化钎料在凝固时Cu6Sn5/Sn的共晶组织并让其分布更加均匀，从而提高钎焊接头力学性能。孙立恒[12]研究了微量Ni、Re元素对Sn-0.7Cu钎料性能的影响，研究发现Ni、Re元素一定范围的添加均可以细化焊接层结构组织、减小界面层厚度，提高钎焊接头的力学性能。其中，Ni元素添加上限为0.3 wt%时，Re元素的添加上限为0.05 wt%。

目前Sn基钎料的研究大多集中在针对钎料的某一特定性能，所制备的Sn基钎料在综合性能上与Sn-Pb钎料相比仍存在一定的差距，因此提高Sn基无铅钎料的综合性能及实用性将是今后的研究发展方向。

2 Zn基钎料

Zn基钎料是指以Zn为基体的二元或多元合金钎料。Zn元素与Al元素的晶体结构接近，具有较好的互溶性，采用Zn基钎料制备的铝合金钎焊接头具有较好的机械性能，目前在电器产品的散热器、框架结构等部件有较多应用。由于纯Zn在凝固时体积收缩率较大，采用纯Zn为钎料钎焊铝合金时，容易在焊缝中形成缩孔，从而影响钎焊接头的力学性能，因此不宜单独采用纯Zn作铝合金的低温钎料。目前研究较多的Zn基钎料有Zn-Al、Zn-Al-Cu、Zn-Al-Ag等。

2.1 Zn-Al 钎料

Zn-Al二元合金的共晶温度为381℃，共晶点是Zn-5Al。但Zn-5Al钎料本身的机械性能及钎焊工艺性能均较差，目前一般通过改变Al合金的含量提高Zn-Al钎料在铝合金母材上的润湿性能和钎焊接头的力学性能。张满等人采用Zn-Al钎料分别钎焊2A01铝合金及6063铝合金[13,14]，研究结果发现，Zn-Al钎料中Al元素的含量在一定范围内的增加可以提高钎料的润湿性能，提高钎焊接头的力学性能，超过一定范围后继续增加Al元素含量反而会恶化钎焊接头的力学性能。这主要是由于，钎料中铝含量的增加可以提高钎缝中铝基固溶体强化相的数量，但铝含量过高会导致钎缝中的枝状共析组织变得粗大，从而恶化接头力学性能。

由于Zn-A1钎料熔融后的流动性较差，采用其钎焊铝合金时形成的焊缝容易出现不饱满或不光滑的现象，同时由于Zn和Al互溶度较大，熔融后的Zn-A1钎料容易溶蚀铝合金母材而降低焊缝质量。为提高Zn-A1钎料的焊接质量，研究者们通常会在Zn-A1合金的基础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钎焊温度、细化焊缝组织提高钎焊接头综合性能。

2.2 Zn-Al-Cu 钎料

Zn-Al-Cu 钎料是在Zn-Al钎料的基础上添加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钎料的熔化温度，同时改善钎料在铝母材上的铺展性能。彭志辉等人[15]通过研究Cu元素对焊缝微观结构的影响，发现Cu元素添加会在 Zn-Al钎料中形成铝和铜的η相以及含锌和铜的β相两种固溶体，从而增强钎焊接头力学性能的。孔聪等人[16]研究了Zn-Al-Cu钎料中Cu元素含量对钎焊性能的影响，发现当Cu元素的含量低于其在Al中溶解度时，Cu元素的增加，钎料在铝母材上的铺展面积也随之增加，当Cu元素的含量达到饱和时Zn-Al-Cu钎料的润湿性能最好。并且研究发现Cu元素的添加还会对焊缝组织起到较好的弥散强化作用，提高钎焊接头的力学性能。

2.3 Zn-Al-Ag 钎料

研究表明Ag元素的添加可以细化Zn-Al钎料的微观组织，从而提高钎焊接头的力学性能。孔聪[17]通过在85Zn15Al钎料中添加不同含量的Ag元素，测试其含量对钎焊性能的影响，研究发现Ag元素的添加会略微提高钎料的熔化温度，但可明显改善钎料在铝基板上的铺展性能，同时通过微观结构观察可发现Ag元素对钎缝组织具有较好的固溶强化作用，从而有效提高钎焊接头力学性能。张满等人[18]采用Zn-Al钎料钎焊铜/铝基板，研究了Ag元素的添加对焊接性能的影响，研究发现Ag元素的添加可明显同时促进钎料在铝板及铜板上的铺展，并可有效提高钎焊接头的力学性能。对钎缝显微组织观察发现，Ag元素的添加还可以细化钎缝内部块状的铜铝脆性相。

目前针对Zn基钎料的研究有很多，也取得了一定的效果，但Zn基焊料总体仍存在熔点偏高、润湿性差等缺点，同时由于Zn基焊料中Zn加热过程中易升华，不适合应用于真空钎焊，这也部分限制了其的应用，因此未来进一步降低钎料的熔点、提高钎料的润湿性、提高钎焊接头可靠性等仍将是Zn基钎料的研究方向。

3 新型复合钎料

近年来，新兴起一种新型低温高强度复合钎料用于铝合金的钎焊，该钎料采用高熔点高强度的泡沫金属为骨架，在泡沫金属中注入低熔点的钎料，从而有效提升钎料的机械性能。由于这种钎料制备工艺简单且具有较好的力学性能，目前得到了大量的研究。Huang等人[19]提出，呈网状分布的泡沫金属能对低熔点金属基体起到很好的强化作用。王文涛[20]采用在泡沫金属Ni分别注入Sn基和Zn基钎料制备出高强度的低温复合钎料，并研究发现采用新型的复合钎料钎焊铝合金时可以获得力学性能优异的钎焊接头。刘伟[21]等采用泡沫Ni-Cu合金增强In-Sn合金制备的复合钎料可于160 ℃钎焊铝合金，研究发现采用新型钎料制备的铝合金接头较单纯的In-Sn钎料力学性能可提高4.6倍。张誉喾[22]采用泡沫Al增强Sn基和Zn基钎料，研究发现Sn基钎料在泡沫铝骨架上的润湿性能较差，所制备的复合钎料缺陷较多，而Zn基钎料能在泡沫铝骨架上较好的润湿，所制备的新型钎料具有良好的力学性能。

虽然新型低温高强度复合钎料具有制备简单、机械力学性能强等优点，但由于其钎焊时，钎料只能部分熔化，导致钎料的流动性较差，钎焊时焊接接头部分容易出现缺陷。有研究采用超声辅助、铝合金表面镀银等方式降低其钎焊缺陷，但由于操作复杂、工艺适配性差还仅停留在实验阶段。目前新型低温高强度复合钎料的研究主要还集中在制备不同成分的低温高强度复合钎料上，对其钎焊作用的界面反应机理及降低焊接缺陷的研究还较少，相关的研究将会是新型复合钎料的重点研究方向也是促进新型低温高强度复合钎料广泛应用的关键。

4 结论与展望

随着电器电子产品向体积微型化和功能集成化方向迅速发展，使得微电子系统对互连焊点的可靠性要求越来越高。虽然Sn基和Zn基钎料在电器产品中铝合金的钎焊工艺中都有了一定的应用，但对应的钎料或多或少均存在一定的缺陷及局限性，仍需要持续不断的改进。新型复合钎料作为一种新兴钎料，虽然还存在润湿性能差、工艺适配性差等缺点，但由于其具有力学性能强、成份结构调整简单，特别是采用这种焊料可以精确控制钎料用量更加适用于目前微电子系统的精确焊接，相信其将会具有更好的发展前景。