鋁釬焊技術在電子產(chǎn)品中的應用-真空釬焊.docx

鋁釬焊技術在電子產(chǎn)品中的應用作者：電子36研究所 余紅華摘 要：主要介紹了電子產(chǎn)品中使用的鋁合金散熱器、冷板和平板縫隙天線等工件的鋁釬焊技術，對釬焊接頭與夾具、工藝參數(shù)和加工過程進行了較詳細的論述。關鍵詞：鋁合金；爐中釬焊；夾具1引言由于鋁合金密度小、耐腐蝕、導熱和導電性好，且具有一定的比強度，鋁合金材料應用范圍不斷擴大，電子設備中散熱器、冷板和平板縫隙天線基本上采用鋁合金釬焊結構。散熱器、冷板體積大，對釬縫成形和變形有一定要求，液冷系統(tǒng)中的冷板要求能承受0.4MPa的工作水壓，根據(jù)不同要求可選用爐焊、真空釬焊工藝，其中真空釬焊適合質(zhì)量要求高的零件。平板縫隙天線由1mm厚的輻射板、隔板、底板組成的共壁波導陣和饋電波導焊接成形，該天線結構復雜，目前國內(nèi)外對此零件通常以數(shù)控加工成形，裝配后采用鹽浴焊、真空釬焊等幾種焊接方式整體焊接，在制造工藝上存在一系列問題，尤其是天線的組合釬焊，波導作為微波傳輸通道，它要求有嚴格的截面尺寸、形位公差要求，釬焊后不僅要有合適的內(nèi)腔圓角，同時不能在內(nèi)腔形成金屬堆積、熔蝕等缺陷，更不能有未焊上的釬縫和截面的翹曲變形，任何加工不合適都會影響天線的相位和駐波，所以這些結構特點給平板縫隙天線加工帶來了很大的難度。2 鋁釬焊原理2.1 空氣爐中釬焊空氣爐中釬焊是最簡單的爐中釬焊方法。釬焊時把裝配好并加上釬料及釬劑的工件放入電爐中，工件被加熱到釬焊溫度后，依靠釬劑去除母材表面的氧化膜，使釬料流入接頭間隙。取出冷卻后便形成釬焊接頭。由于爐中釬焊的加熱周期較長，為了減少工件氧化，防止釬劑蒸發(fā)和喪失活性，應盡量縮短工件在高溫下停留時間，釬焊工件的加熱時間根據(jù)工件和夾具的大小而不同，一般通過試驗確定?？諝鉅t中釬焊設備簡單，成本較低，加熱均勻，變形小。但最大的缺點是釬焊過程中母材暴露在空氣中，釬劑會發(fā)生嚴重的氧化，如果采用氮氣保護效果會更好。另外由于氯化物釬劑釬渣的強烈吸潮性，釬焊接頭易發(fā)生腐蝕，所以鋁釬焊使用的釬劑最好是無腐蝕釬劑，其中QF型1，2釬劑是氟化物釬劑，它由KF及ALF3組成，當KF為45.8%、ALF3為54.2%時，釬劑中將不存在KF及ALF3，而全部形成 K3AlF6-KAlF4，由相圖可知其共晶溫度為562。該種釬劑不吸潮，在室溫下不與水和鋁發(fā)生反應，僅在釬焊溫度附近有活性，焊后殘渣不會引起腐蝕，在釬焊過程中去膜能力強，釬焊后接頭耐蝕性好，釬縫致密性好，能用于鋁合金空氣爐中釬焊，但如果在潮濕的空氣中加熱這種釬劑時，釬劑成分要發(fā)生變化而影響去膜能力。另外，各個廠家生產(chǎn)的釬劑質(zhì)量相差較大，在加熱時間較長時尤其明顯，有的釬劑根本不能完成釬焊，文獻3指出，在加熱溫度、焊前清洗等正常情況下，釬劑質(zhì)量波動是造成釬焊質(zhì)量大幅度波動的主要原因。2.2 真空釬焊真空釬焊是為適應宇宙航空、海洋開發(fā)、原子能、電子工業(yè)及化學工業(yè)的需要而發(fā)展起來的一種較新的釬焊方法。真空焊接過程不需要釬劑即能連接鋁鈦等高活性金屬，同時能保證獲得精密光亮的接頭，此接頭具備優(yōu)良的機械性能和抗腐蝕性能。真空釬焊是在真空爐中進行，隨著真空爐性能價格比的不斷提高，鋁真空釬焊爐已在民品、軍品工業(yè)中得到大量應用，鋁真空釬焊相比鹽浴釬焊和釬劑釬焊具有明顯的優(yōu)點：1）無毒和無污染；2）不使用釬劑，不存在焊渣，無需焊后清洗，節(jié)約人力物力；3）在真空中加熱，沒有氧化問題，可以加工很大的工件；4）加熱均勻，變形量小，可以做到焊后不修整，這對于焊后難于清洗和修整的高精度鋁波導是非常必要的，同時對于風冷散熱器、水冷冷板的釬焊也比較適合。真空爐由真空室、加熱器、控制系統(tǒng)和配套的真空系統(tǒng)組成?，F(xiàn)在主流的鋁真空釬焊為冷壁爐，采用水冷爐壁，生產(chǎn)條件好，釬焊的工件質(zhì)量高，適用于小批量、多品種零件的加工。3 工藝過程3.1 基體材料、釬料及使用表1是幾種常用釬焊基體材料、釬料的物理和機械性能。由于LF21、LD31鋁合金材料的固相線溫度比其他鋁合金高，比較適合鋁合金高溫釬焊，LF21鋁合金適用于各種結構件，而LD31鋁合金可熱處理強化，其加工性能、抗腐蝕性能、力學性能良好，適用于真空釬焊后需熱處理強化的結構件，如平板縫隙天線等。在散熱器、冷板加工過程中發(fā)現(xiàn)10mm左右的鋁合金原材料有一定的變形，會影響裝配過程和釬焊質(zhì)量，也增大后續(xù)銑加工量，冷校平很難解決這一問題，通過試驗采用熱校平工藝很好地解決了此問題。釬料是釬焊工藝中的關鍵連接材料，Al-Si、Al-Si-Sr-La共晶釬料適合于空氣爐、氣體保護爐有釬劑釬焊，目前使用的為1.5mm的盤狀釬料，為了使釬料貼近釬縫形成滿意的焊縫，要求釬料必須直，在校直過程中我們采用退火工藝后拉直，現(xiàn)在釬料可以做的很直，有利于釬焊質(zhì)量的提高。Al-Si-Mg釬料及復合釬料板適用于真空釬焊，在釬料中加入一定量的Mg，可以提高局部去膜效果。3.2 釬劑和活化劑鋁合金表面氧化膜致密穩(wěn)定、熔點高，在普通釬焊溫度下不易分解，在空氣爐、氣體保護爐釬焊必須使用釬劑，QF型氟化物釬劑有較強的去氧化膜能力，但其機理目前尚不清楚，有人認為主要是氟鋁酸鉀能溶解氧化鋁膜，且常溫下不與水反應，我們用的就是帶水的漿狀釬劑。鋁的真空釬焊由于鋁的氧化膜在真空中也很難分解，所以在很長的一段時間內(nèi)沒有取得進展，直到提出采用所謂金屬活化劑后，鋁的真空釬焊才被實現(xiàn)。試驗表明，Mg是鋁真空釬焊最好的活化劑，通過加入鎂可以獲得良好的釬焊性能和優(yōu)良的釬焊接頭。3.3 工件結構特點的分析和加工過程3.3.1 工件結構特點的分析由于各工件技術要求不同，加工工藝也不一樣，合理的釬焊接頭設計十分必要，通過對散熱器、冷板和平板縫隙天線各自特點的分析，提出如圖2的結構形式?？諝?、氮氣爐釬焊散熱器采用銑定位槽結構，該結構定位可靠，釬劑和釬料添加位置合理，大面為整體材料，變形易控制，已在生產(chǎn)中大量采用。真空釬焊散熱器、冷板采用復合釬料板夾在基材中的夾層結構，該結構由于利用了復合釬料板良好的釬焊性能，只要控制好工藝，釬焊質(zhì)量易保證，但對上面結構的散熱器要兼顧釬料流淌和強度，溫度過高，釬料流淌嚴重，溫度過低，強度不易保護。真空釬焊平板縫隙天線采用扭式榫頭，中間夾釬料箔的結構，該接頭相比目前常用的脹鉚榫頭結構，減少鉚接應力，加工也比較方便。3.3.2 典型工件的加工過程空氣（氮氣）爐釬焊散熱器、冷板的工序為：1）熱校平；2）焊前清洗、零件銑成形；3）裝配、加釬劑釬料（不需要烘干）；4）釬焊；5）清洗；6）機加工成形。真空釬焊散熱器、冷板的工序：1）零件成形； 2）焊前清洗、釬焊； 3）機加工成形。平板縫隙天線的工序為：1）數(shù)沖陣面板成形、波導等零件銑或線切割成形；2）焊前工件、釬料表面處理，尤其線切割面的處理；3）裝配釬焊成形，包括夾具設計；4）校形；5）電性能測試。3.4 夾具設計鋁合金釬焊一般要加熱到600左右，在這個過程中，工件易變形，尺寸精度不易保證，同時為了保證釬焊間隙通常要采用夾具，鋁合金釬焊夾具材料一般采用不銹鋼，有特殊要求時也可以選用其他材料作為夾具材料。采用不銹鋼夾具材料時，由于不銹鋼和鋁合金的熱膨脹系數(shù)不同，LF21的熱膨脹系數(shù)為2510-6/，1Cr18Ni9Ti的熱膨脹系數(shù)為1810-6/，工件從25加熱到600時，當所限制尺寸為100mm（散熱器）時，鋁合金與不銹鋼的膨脹量差為0.4mm,當所限制尺寸為600mm（如平板縫隙天線）時，膨脹量差為2.4mm，在釬焊溫度時由于不銹鋼的剛性遠大于鋁合金，所以鋁合金會產(chǎn)生變形。另外，工件在加熱和冷卻過程中由于速度不均勻也會產(chǎn)生變形。夾具設計時根據(jù)工件不同要求，在考慮定位需要的同時還必須考慮以上因素。散熱器、冷板釬焊主要對加工大面的平面度、側(cè)板與底板垂直度、焊縫間隙有要求，其他要求不十分嚴格，采用強制變形夾具可以滿足使用要求，圖3為強制變形夾具的使用狀態(tài)，待焊件依配合尺寸而緊固于夾具體內(nèi)，在釬焊過程中，被焊件的變形行為始終受夾具的限制，即隨夾具的變形而變形，這樣在焊后其配合尺寸即為夾具尺寸。由于夾具的剛性遠大于鋁合金，因而配合尺寸基本可以保證。另外為了降低工件的冷卻速度，設計一個冷卻罩，在工件出爐后立即罩上，使工件與冷空氣熱交換減少，達到使工件均勻冷卻，減少變形的目的。對于平板縫隙天線這類工件，不僅有配合尺寸要求而且對外形尺寸精度要求高的零件，采用強制變形夾具就不能滿足要求，當所限制長度方向尺寸為600mm（天線）時，膨脹量差為2.4mm，可能引起的變形量就達2.4mm，而厚度方向尺寸為10mm時，可能的變形量為0.04mm，這對于壁厚為1mm，尺寸公差為0.05mm的波導來說，這種變形是不允許的，必須考慮別的結構形式的夾具，如文獻4提出的柔性夾具。3.5釬焊設備（1）KBC-L型鋁釬焊空氣爐的主要結構組成,該爐由控制系統(tǒng)、可動爐體和推車三部分組成，如圖4所示。釬焊爐工作方式為：爐體預熱爐罩上升推車移出工件放置推車復位爐罩下降釬焊出爐。該爐溫測控系統(tǒng)主要由Al人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、小型圓圖溫度記錄儀、可控硅模塊、各功能按鈕及儀表等組成。將設定值輸入Al人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器（溫度和時間），由調(diào)節(jié)器控制可控硅模塊，通過調(diào)整一個固定的時間內(nèi)可控硅通斷比例來實現(xiàn)輸出功率大小變化，從而達到連續(xù)調(diào)節(jié)加熱爐功率的目的。小型圓圖溫度記錄儀通過熱電偶的轉(zhuǎn)換，可分別記錄爐膛溫度和釬焊工件溫度（模擬）與時間的曲線，有利于釬焊工藝的分析和參數(shù)的調(diào)整。該控制系統(tǒng)具有測溫精度高，控溫性能好，操作方便等優(yōu)點。現(xiàn)在采用三溫區(qū)控溫的氮氣爐性能更好，釬焊的散熱器質(zhì)量更高。（2）鋁真空釬焊爐，這類釬焊爐采用多溫區(qū)控溫，爐溫均勻性為5，工作真空度1.310-3Pa，最適用于復合板（帶釬料）結構工件的釬焊。在民品、軍品生產(chǎn)中得到廣泛應用，如空分設備中的換熱器、汽車和電子設備的散熱器等，但對于特殊結構工件（如平板縫隙天線）的釬焊需要采用特殊工藝。3.6 釬焊規(guī)范3.6.1 空氣爐加熱規(guī)范和清洗工藝的確定由于該工件厚度較厚、體積較大，采用硬加熱規(guī)范，把爐膛溫度預置到650，然后把安置好釬料和釬劑的工件放入爐膛進行加熱，待工件溫度上升到600即可出爐冷卻。釬焊后的工件在20%左右的硝酸溶液清洗，可以得到滿意的清洗效果。3.6.2 真空釬焊規(guī)范為保證工件釬焊質(zhì)量，要嚴格控制工件、釬料焊前表面處理（包括必要的機械清理），縮短焊前裝配時間，在真空釬焊過程中，真空度控制在1.310-3Pa左右，釬焊溫度為600，加適量鎂，釬焊時釬料的潤濕和接頭形成是一快速過程，約需要1秒鐘，因此保溫時間主要由整個零件加熱到釬焊溫度所需的時間及氧化膜層消散所需時間決定，如果保溫時間過長，工件易形成熔蝕。4 試驗結果及討論4.1 外觀檢驗在空氣爐中釬焊散熱器的過程中也發(fā)現(xiàn)部分工件有少量熔蝕、釬縫成形欠好和變形等缺陷，經(jīng)試驗分析認為產(chǎn)生熔蝕的主要原因為加熱時間過長，釬縫成形欠好的原因是釬劑質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)生變形原因為夾具設計不完善，針對產(chǎn)生問題的原因采取相應措施后釬焊的散熱器、冷板，釬縫經(jīng)目測檢驗，圓角形成良好，釬料熔化完全，無熔蝕現(xiàn)象，釬焊后工件大面的平面度1mm。平板縫隙天線20根波導陣中的波導內(nèi)圓角0.5mm，波導內(nèi)表面光滑，釬縫成形較好，輻射面平面度0.2mm，基本達到設計要求，其中饋電部分有所欠缺，主要問題是部分尺寸有偏差和部分釬縫結合不好，大小H-T組成的功分網(wǎng)絡釬焊質(zhì)量有待提高。4.2 釬焊接頭機械性能和金相組織釬焊接頭按國標GB2651-89、GB2653-89進行拉伸和彎曲試驗，釬焊接頭的抗拉強度為100MPa，冷彎角為145，拉伸試樣斷裂部位都在母材，表明釬縫的強度比母材高，彎曲試驗表明釬焊接頭塑性較好。分析釬縫的金相組織，該組織為典型的AlSi共晶組織。4.3 交變濕熱試驗結合整機要求，將空氣爐中釬焊的散熱器清洗后按GJB367.2-87進行交變濕熱試驗，周期為48小時，釬縫表面保持金屬光澤，無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。4.4 冷板致密性檢查4.4.1 水壓試驗將水通過手動試壓泵徐徐加壓充入冷板內(nèi)（試驗壓力為0.8MPa），未見泄露。水壓試驗結果表明，采用上述工藝制造的冷板能滿足0.4MPa壓力的冷卻液在使用過程中不漏水的要求。4.4.2 斷面檢查為檢查釬縫內(nèi)部的致密性，將冷板試樣用銑加工的方法從中間剖開，腐蝕后觀測釬縫，空氣爐釬焊冷板上可以看到有不致密缺陷存在，但由于這些缺陷是相對孤立的，只要不形成從內(nèi)到外灌通的通道，就是安全的，這一點也可以從水壓試驗冷板不漏水中得到證實。而真空釬焊冷板內(nèi)部十分致密，無任何缺陷存在，這是因為真空釬焊不需要釬劑，釬焊過程中又采用復合板，不會有釬劑殘渣留在釬焊面上。4.5 天線電性能測試真空釬焊的平板縫隙天線，1/16子陣天線經(jīng)測試近、遠場方向圖良好和駐波比小于1.5。全陣天線駐波比小于1.9，增益為30dB，方向圖良好，達到了設計要求。5 結束語空氣爐中釬焊散熱器和冷板，工件釬焊質(zhì)量良好，工藝過程穩(wěn)定，設