银铜共晶焊料流散性影响因素的分析

银铜共晶焊料流散性影响因素的分析

齐安王乐英刘克群

青岛航天半导体研究所有限公司 青岛  266000

摘要：银铜共晶焊料作为银铜合金的一员，具有良好的导热性、焊接性能以及力学性能，因此被广泛应用于电真空器件的焊接领域，而焊料的流散对器件的性能影响较大。本文结合理论分析和生产实践，介绍了几种焊料流散的影响因素。

    关键词：银铜共晶焊料 钎焊 流散 影响因素

随着电子行业的快速发展，电真空器件广泛应用于航空、航天、航海、野战、雷达、通讯、兵器等军民领域。目前，大部分电真空器件采用10#钢、无氧铜、钼铜等金属材料，通过钎焊实现密封和电性能指标。而Ag72Cu28焊料在钎焊焊料的份额达80%，它是一种Ag-Cu共晶焊料，其熔点较低且熔流点相同，钎焊工艺相对简单且焊料流散性好。在电真空器件的生产过程中，焊料的流散性对器件的性能影响较大，它不仅影响了器件的外观质量，还会影响器件表层的镀层质量，从而间接影响器件的电气性能。

1  Ag72Cu28焊料的性能

作为银铜合金一族的成员，它具有较高的导热性（≈391W/m.K）、优良的焊接性能，且材料的抗拉强度和屈服强度控制在相对稳定合理的范围内，易实现焊接及成型。它是一种共晶焊料，熔流点同为779℃，具有较好的浸润性能，在铜、镍层及可伐材料的表面的流散性较好。同时，它具有优良的填缝性能，可以满足各种焊接需求。此外，Ag72Cu28焊料具有优异的延展性能，便于加工成各种规格的丝、片或箔，满足生产过程中对焊料成型的选择性。

2  银铜共晶焊料的钎焊机理

在钎焊过程中，Ag72Cu28焊料在高温下变成液态焊料，液态焊料在焊接金属表层铺展开来，即润湿性较好。在焊料铺展的过程中，液态焊料靠毛细作用填充两个基体金属的钎焊缝隙，而形成金属间结合，实现封接。在整个钎焊过程中，金属基材不熔化，仅有焊料熔化，与基体金属形成良好的相互作用。

简言之，钎焊过程的主要影响因素有焊料的物理性能、润湿性能以及毛细作用。物理性能是Ag72Cu28焊料的固有属性，润湿性能主要与金属基体的表面状态、钎焊的工艺曲线以及保护气氛有关，而毛细作用则取决于两个金属基体的尺寸匹配性。

3 银铜共晶焊料流散对器件的影响

银铜共晶焊料的流散在一定程度上影响了钎焊和器件镀层的质量。首先，焊料通过流散与基体金属发生相关的物理化学作用，而实现钎焊。如果焊料的流散较差，其与基体金属无法形成良好的相互作用，而导致钎焊失效。相反，如果焊料的流散特别好，虽然能与基体金属形成良好的相互作用，但液态焊料的粘度较小，在金属基体表面过度铺展，可能会造成填缝性能变差而导致钎焊失效。

此外，流散的焊料还会影响基材表面镀层结合力，使得器件的环境性能下降；如果流散的焊料分布在密封区，会导致器件的密封失效；如果键合区出现流散焊料，会影响键合的可靠性而使器件的性能失效。总之，银铜共晶焊料的流散控制合理，才能确保器件的质量和可靠性。

4  银铜共晶焊料流散性的影响因素

4.1 金属基体的表面状态

在钎焊过程中，银铜共晶焊料与基体金属间发生相互扩散，在界面处形成的固溶体将金属基体连接在一起，并且具备一定的性能。由于银铜共晶焊料与镍、铜间的扩散不会产生不良作用，镍和铜常用作钎焊的接触表面。电真空器件多采用10#钢、无氧铜、钼铜和可伐等金属材料，为了获得更好的钎焊接口，这些材料表面多进行镀镍处理（铜除外）。

首先，金属基体表面的清洁度直接影响银铜共晶焊料的流散性，例如氧化程度、污染物、外来物等会导致焊料的润湿性，进而导致流散性变差。其次，金属基体表面的粗糙度会影响材料的流散性。当材料表面的光洁度较高时，焊料的润湿性变差，导致流散性变差。相反，当材料表面有一定的粗糙度时，由于毛细作用而使得焊料的流散性改善。再者，金属基体表面的镀层会对焊料的流散性产生影响。

许丽晴等研究了金属基体表面的镀层状态对焊料流散的影响，发现在相同的工艺条件下，表面镀层厚度相同时，焊料在电镀镍层上的流散由于化学镍层，而焊料的流散随着镍层厚度的增加先增加后逐渐降低。在实际生产过程中，我们可以根据实际需要选择合适的镀镍方式和镀层厚度。

4.2 钎焊工艺曲线

钎焊的整个过程包含升温、预热、保温和降温四个阶段。其中，保温段的工艺参数直接影响银铜共晶焊料的流散性，而预热段会间接影响流散性。钎焊的金属基体在预热段进行充分升温，在保温段焊料熔化变成液态焊料，并在基体表面铺展完成焊缝填充。

在保温段，金属基体和焊料进一步升温，当温度达到焊料的熔流点779℃时，焊料开始熔化变成液态并在基体金属表面润湿而铺展。此时，如果温度虽达到熔点但并不能使焊料充分熔化，液态焊料的粘度较大而导致润湿性降低，从而焊料的流散性较差；此时，为了保证钎焊的质量，保温时间需要相应的延长。相反，当温度较高时，液态焊料的粘度下降，在金属基体表面的润湿性增强，可以在钎焊表面快速的铺展开来，焊料的流散性较好；这时，保温时间同样需要控制合理，如果保温时间太长，导致焊料出现过流散而影响钎焊效果。

而预热段会对焊料的流散性产生间接的影响，这是因为焊料及金属基体在经过预热后所达到的温度会直接影响焊料在保温段的熔化及液态焊料的粘度，进而影响焊料的流散性。

综上所述，钎焊的工艺曲线会直接影响焊料的流散性，在确定钎焊工艺时需根据钎焊外壳的重量及数量来确定预热段的工艺参数，确保外壳在该段能充分的升温，为保温段的钎焊做好准备。同时，保温段的温度高点和有效的钎焊时间相匹配，以获得最佳的钎焊效果和流散性。

4.3 保护气氛

银铜共晶焊料的物理性能决定了钎焊需要高于779℃的高温条件下进行，而金属材料在高温条件下易发生氧化，需要采取真空或惰性气体进行保护。真空钎焊过程中，焊料受环境的影响较小，其流散也容易掌控。由于真空钎焊对设备的要求较高，实际生产过程中多采用惰性气体进行保护，使用较多的是氮气或氮气+氢气。

采用氮气作为保护气氛时，钎焊过程中焊料受到环境气体的影响较大，焊料会发生不同程度氧化而导致其流散一致性较差，无法采取有效措施进行控制。实际生产过程中，通常会采用氮气+氢气作为保护气体。其中，氢气的比例从2%到75%。笔者认为，氢气的比例跟钎焊设备的密封性有关，网带式烧结炉内的气氛相对稳定，2%-4%的氢气比例可以得到较好的焊料流散效果；而管式炉因频繁的开关，内部气氛不稳定，要得到理想的流散效果所需的氢气比例相对较高。

4.4 焊料量

    钎焊过程中，焊料的分布形式有两种：一是流散在金属基材表面，一是填充在钎焊的缝隙中。因此，焊料在金属基材表面的流散跟焊料量有关，一般焊料的体积约为钎焊接头间隙容积的1-2倍。同时，在焊料量相对较少时，要合理控制焊料的流散，防止因焊料流散造成的钎焊失效；焊料量相对较多时，也要控制焊料的流散，保护器件的镀层质量、密封及键合性能。

5 结论

结合银铜共晶焊料的性能以及钎焊机理，简述了焊料流散对器件性能的影响，并通过理论分析和生产实践发现影响焊料流散的因素主要有金属基体的表面状态、钎焊工艺曲线、保护气氛以及焊料量四大因素。而各影响因素贯穿器件的整个烧结流程，且其对焊料流散的影响都不可忽略，实践生产过程中需根据已有烧生产工艺进行综合调整，确保焊料的流散和器件的可靠性达到最佳状态。

参考文献：

[1] 高陇桥. 陶瓷-金属材料实用封接技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2017.7.

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[3] 胡赓祥, 蔡珣, 戎咏华. 材料科学基础[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2010.