哈工大_钎焊_杨建国 20.第04章 紫铜的钎焊及相关问题

A
B
(a) 830℃/10min
(b) 880℃/10min
A
B
不致密性缺陷形成机理
这些不致密性缺陷的形成与母材和钎料的界面行为，以及 液态钎料的填缝过程是有很大的关系。 界面行为与熔析机理
温 度 ℃ b1 b a1 a2 e1 T Te
Cu母材与AgCu钎料相 互作用使得液相的熔化 温度区间变大，液态钎 料的黏度增加、液态钎 料的流动性就越来越差
结论
4. 5. 6. 在较高温度长时间保温的工艺条件下，AgCu共晶钎料钎焊紫铜的接 头界面上得到一种等温凝固组织，它是在钎焊温度下的保温过程中 凝固的，其钎缝组织与母材相似并连为一体。 完成等温凝固难易程度主要由钎焊温度、保温时间以及钎缝间隙决 定。温度越高、保温时间越长、钎缝间隙越小，等温凝固越容易完 成。 AgCu共晶钎料钎焊紫铜常产生空穴、钎缝不连续性、钎缝未焊透等 缺陷。这些缺陷的产生与母材与钎料的界面行为以及液态钎料的毛 细填缝过程有很大关系。界面反应行为使得液态钎料熔点升高、流 动性变差；液态钎料填缝时不整齐的流入间隙导致小包围现象的产 生。
（b）窄间隙
830℃/10min的接头组织
（a）宽间隙
（b）中间隙
（c）窄间隙
850℃/20min的接头组织
钎缝间隙对等温凝固的影响
冷却凝固过程中， 不平衡结晶造成液 态中的含Ag量逐渐 升高；然后又在共 晶点处离异共晶使 得钎缝中心留下的 Ag基固溶体。
A 830℃/10min 窄间隙
4
不致密性缺陷分析
钎焊温度对等温凝固的影响
(a) 830℃/10min
(b) 850℃/10min
(c) 880℃/10min
(a)
(b)
(c)
保温时间对等温凝固的影响
(a) 850℃/10min
(b) 850℃/20min
(c) 850℃/40min
(d) 850℃/60min
钎缝间隙对等温凝固的影响
A
(a) 宽间隙
300℃保温150s
300℃保温180s
润湿铺展过程接触角的变化曲线
随加热温度的变化
60
B
50
300℃随保温时间的变化
48
B
58
46
56
接触角（0）
230 240 250 260 270
0
接触角(0)
44
54
42
52
40
50
38
48 220 280 290 300 310
36 -20
0
20
40
60
钎焊
—紫铜真空钎焊的界面行为研究
主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
1 2 3 4 5
紫铜钎焊背景及意义 紫铜与SnAgCu钎料的界面反应 紫铜与AgCu共晶钎料的界面行为 不致密性缺陷分析 基本结论
1
紫铜钎焊背景及意义
铜具有优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中 良好的抗腐蚀性能。
常规钎焊 组织
a) 830℃/10min界面组织照片及线扫描分析
等温凝固 组织
b) 850℃/40min界面组织照片及线扫描分析
等温凝固机理
1083 Tb ℃ t/ 0 Cα CL C L B A D
Cu和Ag在液态下可无限互溶 ，液相中Ag的浓度的下降使 得在保温过程中即可凝固，此 过程称为等温凝固。
空穴
(a) 间隙为0.02mm(810℃/3min)
(b) 间隙为0.05mm(810℃/3min)
(c) 间隙为0.08mm(830℃/20min)
(d) 间隙为0.14mm(880℃/10min)
(e) 空穴EDAX分析
不致密性缺陷——钎缝不连续性
(a) 810℃/3min
(b) 830℃/10min
铜钎焊 的应用
意义
在钎焊过程中，连接接头的形成都要涉及构件原始界面消 失和新界面形成的问题。 本课题拟从母材和钎料的溶解与扩散的过程出发，在常规 及高温长时间的工艺条件下，对紫铜的软钎焊和硬钎焊分 别进行研究，由此来分析界面连接行为的各种现象，对丰 富与完善材料连接的界面行为具有很重要的理论及现实意 义。
发生在间隙较小的范围 内（0.02~0.04mm）， 且随着钎焊温度的提高 或保温时间的延长，不 连续性的小孔呈变小的 趋势，甚至到后面因等 温凝固的完成而逐渐消 失。
(c) 850℃/10min
(d) 850℃/20min
不致密性缺陷——钎缝未焊透
在未钎透的钎缝上， 钎缝中心两侧的组织 比较疏松，在大块Cu 基固溶体上分布着长 条形的Ag基固溶体， 这是由等温凝固后不 平衡的冷却结晶形成 的。
x(Ag)/%
72
Ag-Cu二元合金等温凝固过程
等温凝固的影响因素
C h CL 液相 固相 固相界面的移动 Cα CB W 0 X
等温凝固过程中固液界面移动模型
等温凝固所需时间与钎缝间隙等关系式: tF =
CF h 2 ) 16 D CS − CB (
π
等温凝固的时间与Ag原子在Cu母材中的扩散系数D和液相最大宽度 息息相关。而Ag原子在Cu母材中的扩散系数主要由钎焊温度决定； 液相最大宽度主要由钎焊温度及钎缝初始间隙决定。
80
100
120
140
160
180wenku.baidu.com
200
加热温度( C)
保温时间（s）
界面行为对润湿的影响
液态钎料与固 态母材间的溶 解和扩散及化 合反应对促进 润湿是起着很 重要的作用。
Young’s方程可改写为：cosθ′=cosθ－ △σsl/σlg－△Gr/σlg
IMC的生长行为
270℃
SnAgCu
300℃
a
e
x(Ag)%
熔析
熔析
熔析宏观照片
830℃/10min
850℃/40min
熔析微观照片
液态钎料毛细填缝机理
实际填缝过程及小包围缺陷的形成
加钎料方向
开始填缝
继续填缝
填缝完成
间隙内部的金属表面不可能绝对平齐，清洁度也有所差异，加以 液态钎料同金属表面的物理化学作用等因素的影响，使钎料在填 缝时常常以不整齐的前沿向前推进，结果形成小包围的现象。
2
紫铜与SnAgCu钎料的界面反应
润湿铺展过程接触角随温度的变化
室温
220℃
225℃
228℃
230℃
240℃
润湿铺展过程接触角随温度的变化
250℃
260℃
270℃
280℃
290℃
300℃
润湿铺展过程接触角随保温时间的变化
300℃保温30s
300℃保温60s
300℃保温90s
300℃保温120s
Cu6Sn5
Cu3Sn
Cu
330℃
IMC对可靠性的影响
•
研究表明，界面处分布的粗大金属间化合物脆性较大， 使得焊接断裂韧性和抗低周疲劳能力的下降，特别是 Cu3Sn会脆化焊点界面，恶化焊点的可靠性。因此应防 止焊接过程时Cu基体过分溶解，以提高焊接性能和焊接 接头的可靠性。
3
A B C D
紫铜与AgCu共晶钎料的界面行为
5
结论
1. 在300℃/180s工艺下润湿铺展时，SnAgCu钎料在Cu母材的接触角 达到钎料熔点后随着温度的升高和保温时间的延长，接触角由60° 不断下降到37°，其中熔点附近接触角由60°下降到45°；升高温 度和延长保温时间促进了固液间的界面反应，减小了固液间的界面 能，从而使接触角不断变小。 2. SnAgCu钎料与Cu母材的界面上反应生成了Cu6Sn5层Cu3Sn层金属间 化合物。在反应前期界面上主要生成较短小的Cu6Sn5层，随着钎焊温 度升高和保温时间的延长，Cu6Sn5层不断粗大并出现了Cu3Sn层。界 面板层状分布的粗大金属间化合物脆性较大，严重降低焊点的可靠 性。 3. 常规钎焊工艺下，AgCu共晶钎料钎焊紫铜的接头界面上，得到是一 般钎焊接头的典型组织，主要由4个区域组成，钎缝界面区主要为Cu 基固溶体，呈峰峦状；钎缝中心区大部分是AgCu共晶组织。