鋁制散熱翅片低溫釬焊技術(shù)研究

楊飛，羊應(yīng)官，龍輝文，楊竹溪

（北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120）

0 引言

隨著電子設(shè)備功能的逐漸增強(qiáng)，體積越來越小，而其功耗卻越來越大，以毫米波雷達(dá)常用芯片AWR2243為例，其體積功率密度已達(dá)到50 W/cm3。由此帶來的問題就是其發(fā)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(shè)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(shè)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(dǎo)方式傳遞至散熱翅片，再通過空氣進(jìn)行冷卻。熱傳導(dǎo)介質(zhì)通常是熱管或者鋁基板，而熱傳導(dǎo)介質(zhì)與散熱翅片之間的連接通常采用機(jī)械連接，傳遞熱阻較大，不利于熱傳導(dǎo)。因此，改善熱傳導(dǎo)介質(zhì)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(jìn)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(jìn)行鍍鎳、鍍銅，再涂覆Sn63/Pb37低溫焊膏，最后在回流焊爐內(nèi)將兩者焊接。其焊接機(jī)理為鍍銅層與焊膏發(fā)生了冶金反應(yīng)，形成一層很薄的金屬間化合物Cu6Sn5，從而實(shí)現(xiàn)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(dǎo)性能。文中對焊后的焊塊進(jìn)行了焊縫力學(xué)性能拉伸檢測，以及對散熱翅片與基板焊接的焊縫進(jìn)行了X射線檢測。結(jié)果表明此種低溫焊接方式滿足強(qiáng)度設(shè)計要求[3]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及試件準(zhǔn)備

電子設(shè)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(chǎn)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(yàn)證焊膏涂覆深度對焊接剪切強(qiáng)度的影響，加工不同涂覆深度尺寸的基板數(shù)量3塊，在基板上銑加工出涂覆焊膏區(qū)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(shù)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(jié)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(shí)現(xiàn)緊密結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(yù)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(qū)域，填滿并刮去多余焊料。該焊膏預(yù)熱溫度為90～150 ℃，熔點(diǎn)為183 ℃。

1.4 釬焊工藝

1.4.1 預(yù)熱及釬焊溫度仿真

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

1）材料參數(shù)。5A06材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的增加而增加，其導(dǎo)熱系數(shù)如圖2所示。

圖2 材料5A06的導(dǎo)熱系數(shù)

Sn63Pb37焊膏相關(guān)物性參數(shù)如表4所示。

表4 Sn63Pb37物性參數(shù)

2）溫度邊界條件。高溫回流焊爐共10個溫區(qū)，每個溫區(qū)可設(shè)置不同溫度，最高溫度300 ℃，托盤行進(jìn)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(qū)的停留時間為31.7 s，相鄰溫區(qū)之間的過渡距離約為80 mm，時間為6.9 s。因此，ANSYS仿真環(huán)境溫度按照試件在回流焊爐內(nèi)行進(jìn)過程中的溫度進(jìn)行設(shè)置，回流焊爐各溫區(qū)溫度初始設(shè)置如圖3所示。

圖3 回流焊爐各溫區(qū)溫度設(shè)置

環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，焊件在回流焊爐內(nèi)受熱輻射及熱氮?dú)鈱α鞫郎兀渲袩彷椛淇赏ㄟ^式（1）轉(zhuǎn)換為對流傳熱系數(shù)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(jié)果。仿真結(jié)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(yù)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(diǎn)；在283.5 s時，焊膏溫度達(dá)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(xù)時間約40 s，由溫度曲線可得出，此溫度設(shè)置滿足焊接過程。

圖4 焊膏溫升曲線

圖5 焊塊在各時間節(jié)點(diǎn)的溫度

1.4.2 釬焊

將基板與焊件進(jìn)行裝配，并采用剛性工裝進(jìn)行裝夾。根據(jù)ANSYS瞬態(tài)熱仿真時的加載溫度對回流焊爐進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(shè)備前通常進(jìn)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(jìn)行鈍化處理。鈍化處理一般工藝流程為：化學(xué)除油→水洗→預(yù)腐蝕→水洗→強(qiáng)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(yàn)

為驗(yàn)證腐蝕對焊塊焊接強(qiáng)度的影響，將焊塊進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 150.11A-2009進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為35 ℃±2 ℃，試驗(yàn)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(tài)，交替進(jìn)行）。

2 試驗(yàn)檢測結(jié)果與討論

2.1 焊縫力學(xué)性能檢測與分析

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

圖7 焊塊拉伸測試曲線與拉斷后結(jié)果

表6 焊塊拉斷力與焊縫剪切強(qiáng)度

2.2 X射線檢測

為進(jìn)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(zhì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析，如圖9所示。從圖9可以看出，焊縫中間區(qū)域無夾渣、氣泡及裂紋等，只在焊縫的邊緣處有不連續(xù)情況產(chǎn)生，經(jīng)分析可知，這是屬于少量的釬料堆積，對焊縫質(zhì)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(jìn)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(jié)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(yīng)的結(jié)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(shè)置加載到回流焊爐，實(shí)現(xiàn)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(yàn)后進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，得到焊塊剪切強(qiáng)度平均值為20.3 MPa，焊膏涂覆深度為0.16 mm時剪切強(qiáng)度達(dá)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(xiàn)象，鍍層強(qiáng)度滿足釬焊要求。

在同等工藝條件下進(jìn)行了散熱翅片與基板之間焊接，并對焊縫進(jìn)行X光檢測，分析得到焊膏填充飽滿，焊縫質(zhì)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(jī)箱等設(shè)備基板與散熱翅片的焊接，滿足小批量設(shè)備測試需求，具有一定應(yīng)用價值。