表面織構化對銅基釬料潤濕流鋪的影響研究

楊 洋，周俞廷，趙亦嘉

1. 中國機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044

2. 中國機械總院集團 寧波智能機床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

0 前言

釬焊是工業生產過程中一種重要連接技術[1-2]，具有焊接變形小、成形美觀等特點，在航空航天、汽車、電子通信等領域得到了廣泛應用。其中銀基釬料[3-4]是釬焊領域應用最為廣泛的一類釬料，具有良好的導電性、可塑性和耐腐蝕性，但使用成本高。為降低釬焊成本、提高經濟效益，有必要開發低銀或無銀釬料。因此，具有工藝性能優良、釬料流動性較好、價格便宜等優點的Cu基釬料[5]得到了廣泛應用。在Cu 基釬料中，Cu-P 釬料[6]作為自釬劑釬料，具有熔點低、導電性良好的優點，AgCuZn釬料[7]具有加工性能優良、熔點適中、良好的流動性等優點。釬料的鋪展性對釬焊接頭的質量和性能具有重要影響，目前研究人員采用對金屬表面進行改性和加工的手段來改善金屬表面的鋪展潤濕性，常見的加工方法有表面鍍覆技術[8]、化學刻蝕[9]、微銑削[10]和激光表面織構技術[11]等。激光表面織構技術是基于光熱效應對基材進行加工處理，在材料表面加工出一定形狀、尺寸和排列規律的凹坑或溝槽陣，相較于其他技術而言，具有高效、性能穩定、加工精度高等特點，目前廣泛應用于表面織構的加工。Du[12]等人研究了激光微織構不同幾何形貌對表面接觸角的影響，發現微溝槽及微坑形織構均會降低表面接觸角。Raimbault[13]等人探究了微織構的幾何參數對表面潤濕性的影響，發現可以通過改變微織構的深度及周期等參數改變其表面接觸角。周軼杰[14]在T2紫銅表面加工類魚鱗表面織構，發現可通過調節激光間距改變基體表面的靜態接觸角。

目前表面織構技術應用于Cu 基釬料的潤濕性的研究多集中于定性分析，對表面織構類型及幾何參數影響銅基釬料潤濕性的研究較少。本文以T2紫銅作為基板，將表面織構技術應用于改善Cu基釬料的潤濕性，通過激光加工技術制備直線型、網格型織構陣列，并選用BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93PA 粉末兩種釬料進行浸潤性試驗，分析表面織構的類型及陣列間距對釬料浸潤性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用T2紫銅作為基板，采用線切割機將基板切割成規格為40 mm×40 mm×1 mm的試樣，試驗前用SiC 砂紙將所有試樣按400#、800#、1000#順序逐級研磨，并放入無水乙醇中超聲波清洗15 min，以清除表面油污。選取BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93P粉末為試驗釬料，其主要化學成分如表1、表2所示，所有釬料在使用前用1000#的SiC 砂紙打磨除去氧化層。釬劑為QJ102銀釬焊熔劑。

表1 BAg25CuZnSn焊絲化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of BAg25CuZnSn （wt.%）

表2 BCu93P粉末化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical compositions of BCu93P-A （wt.%）

試驗采用HG100-20W 激光打標機對T2 紫銅基板表面進行直線型織構化處理和網格型織構化處理。根據前期研究，試驗參數為：輸出功率15 W，脈沖頻率20 kHz，掃描速度100 mm/s。兩種織構類型的陣列間距a為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，加工方案如圖1所示，激光束沿著箭頭方向移動完成對基板的織構化處理。將激光織構化的試樣用無水乙醇超聲清洗10 min，清理表面雜質，利用超景深顯微鏡觀察其表面的織構形貌。

圖1 表面織構加工方案Fig.1 Processing strategy of surface texture

1.2 潤濕性試驗方法

依據國標GB/T11364—2008《釬料鋪展性及填縫性實驗方法》的規定對釬料進行潤濕鋪展試驗，通過比較鋪展面積來研究表面織構對釬料潤濕性的影響。加熱裝置為箱式電爐，如圖2 所示。試驗支撐平臺先以90 ℃/min 的速率預熱到釬焊溫度。用光電天平稱量0.4 g 釬料和0.2 g 釬劑，將放置好釬料、釬劑的基板置于箱式電爐中，保溫2 min后取出基板。通過數碼相機對試驗后的試件進行拍照，將圖片輸入電腦，采用Image-J 軟件測量釬料的鋪展面積，試驗重復5次，結果取其平均值。

圖2 箱式電爐Fig.2 Electric box furnace

2 結果討論

2.1 表面織構形貌

采用超景深顯微鏡觀察織構化的基板形貌，發現對基板進行不同陣列間隔的表面織構化后，溝槽的寬度為（40.0±1.0） μm，深度為（5.0±0.5） μm。圖3為陣列間隔為200 μm 的直線型織構和網格狀織構化的基板。

圖3 陣列間隔為200 μm的兩種織構Fig.3 Two textures with array spacing of 200 μm

2.2 釬料在T2紫銅上的潤濕性能

熔化溫度范圍是釬料合金最基本的性質，是決定實際釬焊溫度的基本參數。BAg25CuZnSn焊條、BCu93P 粉末的DSC 曲線如圖4 所示。圖4a 中，BCu93P 粉末只有一個吸收峰（釬料合金熔化），則BCu93P 釬料的熔點為710.2 ℃。圖4b 的第2 個吸熱峰對應BAg25CuZnSn焊條的熔點為786.5 ℃。

圖4 兩種釬料的DSC曲線Fig.4 DSC curves of brazing filler alloys

2.2.1 BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅上的潤濕性能

根據BAg25CuZnSn 釬料的熔點，潤濕試驗設置箱式電爐的峰值溫度為850 ℃，保溫時間2 min。織構化基板上BAg25CuZnSn 釬料的鋪展面積如圖5 所示，未織構基板的釬料鋪展面積為232.4 mm2。可以看出，織構化處理后的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構基板釬料的鋪展面積。隨著織構陣列間距的增大，釬料的鋪展面積逐漸減小，且網格型織構化的基板上釬料的鋪展面積均大于直線型織構。網格型織構陣列間距為100 mm 時，釬料的鋪展面積最大，為300.5 mm2。陣列間距為100 mm時，BAg25CuZnSn釬料在紫銅基板上的鋪展形貌如圖6 所示，可以看出，釬料在基板上得到充分鋪展，潤濕性能良好。

圖5 不同陣列間距下BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅基板上的鋪展面積Fig.5 Spreading area of BAg25CuZnSn filler on T2 copper substrate with different away spacing

圖6 陣列間隔為100 mm時BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅基板上的鋪展形貌Fig.6 Spreading morphhologies of filler on T2 copper substrate when array interval is 100 mm

2.2.2 BCu93P釬料在T2紫銅上的潤濕性能

根據BCu93P 釬料的熔點，潤濕試驗設置箱式電爐的峰值溫度為820 ℃，保溫時間2 min。圖7為織構化基板上BCu93P 釬料的鋪展面積，未織構基板的釬料鋪展面積為248.6 mm2。可以看出，織構化處理后的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構基板釬料的鋪展面積。隨著織構陣列間距的增大，釬料的鋪展面積逐漸減小，且網格型織構化的基板上釬料的鋪展面積均大于直線型織構。網格型織構陣列間距為100 mm 時，釬料的鋪展面積最大，為322.4 mm2。圖8 為陣列間距為100 mm 時，BCu93P釬料在紫銅基板上的鋪展形貌。可以看出，釬料在基板上充分鋪展，具有良好的潤濕性能。

圖7 不同陣列間距下BCu93P釬料在T2紫銅基板上的鋪展面積Fig.7 Spreading area of BCu93P filler on T2 copper substrate with different away spacing

圖8 陣列間隔為100 mm時BCu93P釬料在T2紫銅基板上的鋪展形貌Fig.8 Spreading morphhologies of BCu93P filler on T2 copper sub‐strate when array interval is 100 mm

2.3 分析與討論

表面織構化的基板表面會對釬料的鋪展過程中起到毛細管作用，促進釬料在母材表面的潤濕與鋪展。Wenzel[15]基于楊氏方程提出了粗糙度因子γ來表征粗糙表面的接觸角大小

式中θ為實際條件下固體表面的接觸角；θe為材料在理想狀態下所對應的靜態接觸角；γ為液體與固體表面的實際接觸面積與表觀接觸面積之比。直線型織構化基板的粗糙度因子可表示為：

式中a為織構陣列的間隔；h為溝槽的深度。

對于網格型織構化的基板而言，其粗糙度因子可表示為：

所以，當對基板進行表面織構化后，液體與固體表面的實際接觸面積增大，粗糙度因子γ也隨之增大，θ隨之減小，潤濕性增大，釬料的鋪展面積增大。網格狀織構化基板的粗糙度因子γ大于直線型織構化基板的粗糙度因子，則在相同條件下，網格狀織構化基板上釬料的鋪展面積更大。當織構陣列間隔減小時，粗糙度因子均增大，結合式（1），固體表面的接觸角減小，釬料的鋪展面積增大。

3 結論

本文采用HG100-20W 激光打標機在T2 紫銅基板表面制備直線型和網格型兩種典型的表面織構，其中織構溝槽的寬度為（40.0±1.0） μm，深度為（5.0±0.5） μm。

（1）采用BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93P-A 粉末兩種釬料進行浸潤性試驗，表面織構化的基板表面會對釬料的鋪展過程中起到毛細管作用，促進釬料在母材表面的潤濕與鋪展，織構化的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構化的基板。

（2）隨著織構陣列間距的增大，基板的粗糙度因子減小，粗糙表面的接觸角減小，浸潤性變差，兩種釬料在基板上的鋪展面積均逐漸減小。

表面織構作為一種有效的技術手段，在釬焊領域改善金屬表面潤濕性方面的應用前景十分廣闊。設計不同類型、不同陣列分布的表面織構，探究其對金屬潤濕性的影響將成為未來的研究重點，同時利用表面織構技術解決異種金屬的連接問題將成為該領域的一大熱點。