[發明專利]一種超聲振動和電場輔助的釬焊實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201310085597.X
• 申請日: 2013-03-18
• 公開（公告）號: CN103203510A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 張柯柯;趙愷;石紅信;張占領;張曉嬌;王要利;邱然鋒;于華;劉珊中;栗海仙;孫敬;李臣陽;衡中皓;劉宇杰;郭興東;劉世英;李猛;崔春雷
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: B23K3/00
• 分類號: B23K3/00;B23K3/04;B23K3/08
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 胡偉華

技術領域

本發明涉及釬焊實驗技術領域，特別涉及一種超聲振動和電場輔助的釬焊實驗裝置及方法。

背景技術

在電子產品中，釬焊焊點起著連接電器元件與基板的重要作用。隨著電子產品向高功率、高密度、高可靠性及多功能化和無鉛組裝、封裝等方向的迅速發展，對無鉛焊點的質量和可靠性提出了更高的要求。在釬焊過程中，與潤濕、擴散、凝固等密切相關的工藝焊接性較差，常會導致諸如虛焊、厚且界面粗糙的金屬間化合物（IMC）層開裂、焊縫微觀偏析、焊點剝離和焊盤剝落等焊接缺陷，嚴重影響焊點質量和可靠性。隨著釬料無鉛化發展的進程，此缺陷日顯突出。在釬焊過程中，潤濕性是影響釬焊焊點質量和可靠性的關鍵因素。目前，為了提高釬焊焊點或接頭的可靠性和質量，常通過改善釬料潤濕性的方法來實現。釬料的潤濕性與液態釬料在母材表面的鋪展，氣液、固液界面張力以及材料界面的傳質行為有關。無鉛釬料的潤濕性普遍低于傳統SnPb釬料，因此，現有技術中常常通過采用強腐蝕釬劑及氣氛保護等措施來提高無鉛釬料對母材的潤濕以得到性能良好的釬焊接頭或焊點。但是氣氛保護下的釬焊生產成本高，并且釬劑一般都具有腐蝕性，對釬焊焊點或接頭在服役過程中有不利影響。為了在實現改善釬料潤濕性的前提下，同時達到在釬焊過程中少用、甚至不用焊劑的目的，現有技術中存在外加能量輔助的釬焊方法，該釬焊方法可以改善釬料的潤濕性。該釬焊方法有以下兩種：一種是對母材施加超聲波振動載荷，另一種是在釬料與母材的釬焊位置施加靜電場。

使用超聲波振動載荷輔助的釬焊方法的現有技術如200710071744.2號中國發明專利公開了一種超聲波振動液相焊接設備，該設備包括超聲波振動加載裝置和釬焊加熱熱源。上述專利文獻中研究了ZnAl釬料在頻率20kHz、振幅10μm超聲波振動載荷作用下的潤濕填縫過程；研究表明，超聲波振動在液體中傳播會產生空化作用，借此能夠破除母材表面的氧化膜并促進液態釬料在母材表面的鋪展。但是，單純施加超聲波振動會使液態釬料在潤濕過程中產生“皮下潛流層”，不利于釬料充分潤濕，釬料潤濕程度有限。在超聲波振動載荷作用下，釬料的潤濕性大多能得到改善，但改善程度有限。

使用靜電場輔助的釬焊方法的現有技術如西安理工大學李大圣、范志康在《稀有金屬材料與工程》2007年第36卷第6期的論文（論文題目為“電場和元素?Cr對Cu/W?潤濕性的影響”）中研究了靜電場對Cu/W潤濕的影響。該論文公開了在靜電場作用下進行釬料潤濕過程的方法。外加靜電場能在液固界面處形成接觸電勢和電荷富集，從而引起固液界面能降低，并且靜電場能夠促進材料界面傳質，有利于釬料潤濕，但單一靜電場的作用對釬料潤濕性的改善也很有限。

上述外加能量輔助的釬焊方法，不管是單一施加超聲波振動載荷還是單一施加靜電場，都僅能在有限范圍內提高釬料的潤濕性，不能顯著提高釬焊焊點的質量和可靠性。此外，單一加超聲波振動載荷輔助的釬焊實驗裝置存在加熱環境均溫性差的缺點；單一加靜電場輔助的釬焊實驗裝置存在靜電場電源品種單一，不能開展靜電場種類、極性等對釬焊過程中的潤濕性影響的實驗研究的缺點。這兩種方法均存在釬焊實驗裝置二次開發性差的弊端。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超聲振動和電場輔助的釬焊實驗方法，以使釬焊過程在超聲波振動載荷和靜電場的共同輔助作用下進行。本發明還提供了一種專用于實施上述超聲振動和電場輔助的釬焊實驗方法的裝置。

為了實現上述目的，本發明的超聲振動和電場輔助的釬焊實驗方法采用如下技術方案。一種超聲振動和電場輔助的釬焊實驗方法，包括以下步驟：

A）焊前準備：

a）實驗材料的制備：1）在釬焊所用的母材上加工出臺階狀的搭接結構，用砂紙或磨削設備將母材的待焊表面打磨平整、光潔，并用丙酮或酒精進行清洗，晾干或吹干后備用；2）將釬料制成薄片狀；3）將釬料置于兩個母材的搭接結構的上、下對應的搭接面之間，將兩塊母材的搭接結構對扣搭接在一起；

b）焊接設備的調試：1）將靜電場電源、超聲波發生電源接入220V的交流電；2）調定所需的超聲波振動功率后關閉超聲波發生電源，待實驗需要時開啟；3）調定需要的靜電場種類、極性、電壓后關閉靜電場電源，待實驗需要時開啟；

B）釬焊過程：將實驗材料放置于靜電場施加系統的上電極板和下電極板之間的絕緣釬焊工作臺上，將與設定頻率的超聲波振動源連接的超聲波傳遞桿伸入所述靜電場中，并通過超聲波傳遞桿上固定連接的振動壓頭對實驗材料施加超聲波載荷，對處于靜電場中的實驗材料加熱至設定溫度，使釬料熔化，將搭接設置的兩個母材連接在一起。