[发明专利]一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及钎焊实验技术领域，特别涉及一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置及方法。

背景技术

在电子产品中，钎焊焊点起着连接电器元件与基板的重要作用。随着电子产品向高功率、高密度、高可靠性及多功能化和无铅组装、封装等方向的迅速发展，对无铅焊点的质量和可靠性提出了更高的要求。在钎焊过程中，与润湿、扩散、凝固等密切相关的工艺焊接性较差，常会导致诸如虚焊、厚且界面粗糙的金属间化合物（IMC）层开裂、焊缝微观偏析、焊点剥离和焊盘剥落等焊接缺陷，严重影响焊点质量和可靠性。随着钎料无铅化发展的进程，此缺陷日显突出。在钎焊过程中，润湿性是影响钎焊焊点质量和可靠性的关键因素。目前，为了提高钎焊焊点或接头的可靠性和质量，常通过改善钎料润湿性的方法来实现。钎料的润湿性与液态钎料在母材表面的铺展，气液、固液界面张力以及材料界面的传质行为有关。无铅钎料的润湿性普遍低于传统SnPb钎料，因此，现有技术中常常通过采用强腐蚀钎剂及气氛保护等措施来提高无铅钎料对母材的润湿以得到性能良好的钎焊接头或焊点。但是气氛保护下的钎焊生产成本高，并且钎剂一般都具有腐蚀性，对钎焊焊点或接头在服役过程中有不利影响。为了在实现改善钎料润湿性的前提下，同时达到在钎焊过程中少用、甚至不用焊剂的目的，现有技术中存在外加能量辅助的钎焊方法，该钎焊方法可以改善钎料的润湿性。该钎焊方法有以下两种：一种是对母材施加超声波振动载荷，另一种是在钎料与母材的钎焊位置施加静电场。

使用超声波振动载荷辅助的钎焊方法的现有技术如200710071744.2号中国发明专利公开了一种超声波振动液相焊接设备，该设备包括超声波振动加载装置和钎焊加热热源。上述专利文献中研究了ZnAl钎料在频率20kHz、振幅10μm超声波振动载荷作用下的润湿填缝过程；研究表明，超声波振动在液体中传播会产生空化作用，借此能够破除母材表面的氧化膜并促进液态钎料在母材表面的铺展。但是，单纯施加超声波振动会使液态钎料在润湿过程中产生“皮下潜流层”，不利于钎料充分润湿，钎料润湿程度有限。在超声波振动载荷作用下，钎料的润湿性大多能得到改善，但改善程度有限。

使用静电场辅助的钎焊方法的现有技术如西安理工大学李大圣、范志康在《稀有金属材料与工程》2007年第36卷第6期的论文（论文题目为“电场和元素 Cr对Cu/W 润湿性的影响”）中研究了静电场对Cu/W润湿的影响。该论文公开了在静电场作用下进行钎料润湿过程的方法。外加静电场能在液固界面处形成接触电势和电荷富集，从而引起固液界面能降低，并且静电场能够促进材料界面传质，有利于钎料润湿，但单一静电场的作用对钎料润湿性的改善也很有限。

上述外加能量辅助的钎焊方法，不管是单一施加超声波振动载荷还是单一施加静电场，都仅能在有限范围内提高钎料的润湿性，不能显著提高钎焊焊点的质量和可靠性。此外，单一加超声波振动载荷辅助的钎焊实验装置存在加热环境均温性差的缺点；单一加静电场辅助的钎焊实验装置存在静电场电源品种单一，不能开展静电场种类、极性等对钎焊过程中的润湿性影响的实验研究的缺点。这两种方法均存在钎焊实验装置二次开发性差的弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声振动和电场辅助的钎焊实验方法，以使钎焊过程在超声波振动载荷和静电场的共同辅助作用下进行。本发明还提供了一种专用于实施上述超声振动和电场辅助的钎焊实验方法的装置。

为了实现上述目的，本发明的超声振动和电场辅助的钎焊实验方法采用如下技术方案。一种超声振动和电场辅助的钎焊实验方法，包括以下步骤：

A）焊前准备：

a）实验材料的制备：1）在钎焊所用的母材上加工出台阶状的搭接结构，用砂纸或磨削设备将母材的待焊表面打磨平整、光洁，并用丙酮或酒精进行清洗，晾干或吹干后备用；2）将钎料制成薄片状；3）将钎料置于两个母材的搭接结构的上、下对应的搭接面之间，将两块母材的搭接结构对扣搭接在一起；

b）焊接设备的调试：1）将静电场电源、超声波发生电源接入220V的交流电；2）调定所需的超声波振动功率后关闭超声波发生电源，待实验需要时开启；3）调定需要的静电场种类、极性、电压后关闭静电场电源，待实验需要时开启；

B）钎焊过程：将实验材料放置于静电场施加系统的上电极板和下电极板之间的绝缘钎焊工作台上，将与设定频率的超声波振动源连接的超声波传递杆伸入所述静电场中，并通过超声波传递杆上固定连接的振动压头对实验材料施加超声波载荷，对处于静电场中的实验材料加热至设定温度，使钎料熔化，将搭接设置的两个母材连接在一起。