銀合金釬料對銀觸點釬著率影響的研究

劉風(fēng)婭，余翠娟，堵永國，丁 勇，彭 濤，王乃千

銀合金釬料對銀觸點釬著率影響的研究

劉風(fēng)婭1，余翠娟2，堵永國2，丁 勇1，彭 濤1，王乃千1

(1. 佛山市諾普材料科技有限公司，廣東 佛山 528200；2. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073)

以H85黃銅觸橋和AgSnO2/Ag觸點銀層為焊接母材，兩種銀合金粉末為銀合金焊膏的釬料，采用力學(xué)性能、金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)和熱分析等方法，研究Ag-20Cu-15Zn銀合金釬料的粒徑和含量，以及Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料對母材焊接釬著率的影響。結(jié)果表明，Ag-20Cu-15Zn釬料粒徑為45～75 μm、含量為60%時焊接釬著率最好，為95.35%；釬料中Sn的加入，使銀合金釬料的熔化溫度降低60℃，焊接過程中銀合金焊膏的流動性增強，對提高焊接釬著率有利。

金屬材料；焊膏；銀合金粉末；粒徑；含量；釬著率

釬焊是指采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將母材與釬料加熱到高于釬料熔點，但低于母材熔點的溫度，利用釬料在釬焊過程中熔化、潤濕母材，在母材接頭的縫隙中流布、填充，與母材相互作用(溶解、擴散或生成化合物)等，最后冷卻凝固，從而將兩塊母材緊密結(jié)合在一起[1]，實現(xiàn)母材間的“天衣無縫”連接，如圖1所示。

衡量釬焊效果的主要指標(biāo)包括觸點和觸橋硬度，釬焊強度及釬著率[2]。觸點和觸橋硬度主要取決于母材種類、焊接方式及焊接溫度，在其他條件保持一致的前提下，焊接溫度越低，硬度越高。釬焊強度只要外觀、釬著率檢測合格的電觸頭，均可滿足電觸頭試驗強度要求[2]。釬著率是指釬焊接頭中實際釬著的釬縫面積與應(yīng)該釬焊的總面積的比率[3]，其隨焊膏配方不同波動較大。釬著率高，焊接組件的電阻小，導(dǎo)電性能好，觸頭產(chǎn)生的熱量少；釬著率低，易發(fā)生電流收縮現(xiàn)象，電阻大，在使用過程中觸頭產(chǎn)生的熱量較多，嚴(yán)重時會燒損觸頭，發(fā)生故障[4]。

圖1 釬焊原理示意圖

釬料作為焊膏的重要組成部分，對釬著率的高低起著至關(guān)重要的作用。釬料一般為二元或多元合金，其成分由焊接溫度、母材材質(zhì)等決定，合適的釬料使焊膏在釬焊時具有良好的潤濕性、流動性和鋪展性，對提高組件的釬著率有利。其中，銀釬料是以銀或銀基固溶體為主的合金，該類釬料種類繁多，多為含銅的銀合金粉末[5]，這類釬料對銅、銀母材具有良好的潤濕性，塑性好，耐蝕性優(yōu)異，熔點適中，在釬焊過程中流動性好，可與母材形成牢固的冶金結(jié)合，獲得強度高、可靠性好的釬焊接頭。但這類釬料均含貴金屬銀，且在焊膏中的占比(全文均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般較高，為85%～90%[6-7]，每年使用量可達(dá)萬噸以上[8]。雖然我國銀存儲量在世界排名較前，但仍呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的現(xiàn)象。如何降低銀使用量具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[9]。另外，銀釬料的種類、粒徑等對焊接組件焊接性能影響的報道較少，值得引起廣大學(xué)者關(guān)注。

本文以H85黃銅觸橋和AgSnO2/Ag觸點銀層為焊接母材，以氫化C5樹脂為有機相，環(huán)保型石油溶劑D40、D80為溶劑，F(xiàn)B101為助焊劑，以兩種銀合金粉末為銀合金焊膏的釬料，研究Ag-20Cu-15Zn銀合金釬料的粒徑和含量，以及Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料對焊接釬著率的影響，以促進(jìn)高性能低成本焊膏的研發(fā)。

1 實驗

1.1 實驗材料及儀器

1) 實驗材料。H85黃銅制觸橋(9 mm×2.5 mm)，AgSnO2/Ag銀點(8.2 mm×1.4 mm)，Ag-20Cu-15Zn合金粉，Ag-22Cu-17Zn-5Sn合金粉，氫化C5樹脂，聚酰胺蠟，環(huán)保型石油溶劑D40、D80，F(xiàn)B101(硼酸30%，氟硼酸鉀70%)均為化學(xué)純。

2) 實驗設(shè)備。電子天平(奧豪斯儀器有限公司，AR224CN型)，反應(yīng)釜(上海約迪機械設(shè)備有限公司，YK-2L型)；超級恒溫油浴鍋；行星式攪拌機(綿陽世諾科技有限公司，RM300SA2型)；金相試樣鑲嵌機(上海金相機械設(shè)備有限公司，XQ-1型)；平面磨床(廣州市諾信數(shù)字調(diào)控設(shè)備有限公司，KA-300型)，自動感應(yīng)焊設(shè)備(溫州永煊自動化科技有限公司，YX2019GYHJ型)。

3) 檢測設(shè)備。金相顯微鏡(徠卡微系統(tǒng)有限公司，DM2700M型)，超聲波無損探傷檢測設(shè)備(上海和伍精密儀器股份有限公司，S100D型)，拉伸力度試驗機(廣州市普睿思儀器有限公司，B1型)，掃描電子顯微鏡(日本日立公司，S4800型)，熱重分析儀(德國耐馳儀器制造有限公司，STA449C型)，全自動比表面積分析儀(美國Quantachrome公司，NOVA 4000e型)。

1.2 有機載體的制備

1) 樹脂溶解。將60 g氫化C5樹脂，20 g D40，20 g D80置于反應(yīng)釜中，加熱至120℃，1350r/min攪拌反應(yīng)2 h，使其充分溶解，冷卻至室溫得到樹脂溶液。測定樹脂溶液的固含量，補加溶解過程中損耗的溶劑，其中D40和D80按比例補加。

2) 觸變劑的加入。取85 g樹脂溶液，加入15 g聚酰胺蠟，加熱至55℃，1350r/min，攪拌反應(yīng)20 min，冷卻至室溫。測定其固含量，補加損耗的溶劑，其中D40和D80按比例補加，即制得銀合金焊膏所需的有機載體[10]。

1.3 銀合金焊膏的制備

按設(shè)計配方將助焊劑和相應(yīng)銀合金釬料依次加入有機載體中。助焊劑在添加前需80℃烘干后過200目篩；每次添加助焊劑和銀合金釬料后都需在行星攪拌機中預(yù)混2次，工藝為轉(zhuǎn)速600r/min，攪拌1 min。最后在三輥軋機中進(jìn)行多次重復(fù)軋制即可獲得銀合金焊膏。焊膏制備完成后測定固含量，補加損耗溶劑，使其固含量一致。最后將其轉(zhuǎn)移至點膠用針筒中備用。表1為銀合金焊膏中Ag-20Cu-15Zn釬料粒徑及級配含量，用以研究釬料粒徑對焊膏焊接釬著率的影響。表2為銀合金焊膏中釬料種類及組分含量，兩種釬料粒徑均為45～75 μm，以研究釬料含量及釬料種類對焊膏焊接釬著率的影響。

1.4 焊接實驗

將裝有焊膏的針筒和自動感應(yīng)焊設(shè)備中的點膠系統(tǒng)連接，通過調(diào)節(jié)點膠壓力控制焊膏點膠量為13±2 mg。設(shè)定設(shè)備內(nèi)置的自動識別系統(tǒng)，先將待焊觸橋置于自動感應(yīng)焊設(shè)備的夾具上，再將焊膏點至待釬焊處的中心位置，銀觸點待釬焊面朝下置于待焊處，上電極向下接通電源加熱。Ag-20Cu-15Zn釬料焊膏的焊接控制溫度設(shè)定為680℃～685℃(焊接控制溫度為紅外測溫器探測到的溫度，較實際焊接溫度低)；Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料焊膏的焊接控制溫度設(shè)定為620℃～625℃。所有焊接過程采用的輸出電流為865～870 A，焊接時間為4 s。

表1 焊膏中不同粒徑釬料的級配比例

Tab.1 Gradation ratios of different silver alloy powders’ particle sizes in brazing paste

表2 焊膏中釬料的含量

Tab.2 Content of silver alloy powders in brazing paste

1.5 釬著率檢測

1) 無損檢測。采用超聲波無損探傷檢測設(shè)備進(jìn)行釬著率檢測。

2) 有損檢測。隨機抽取若干片焊后組件，用平面車床切割出釬焊面，用金相試樣鑲嵌機鑲樣后，在800目、2000目砂紙上逐級磨光，然后在金絲絨拋光布上拋光，最后置于金相顯微鏡下觀察焊接缺陷，計算焊接釬著率()：

=100%?Σ(1+2+…+a)/(1)

式中，1、2、...、a為缺陷長度；為釬料層總長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 無損檢測釬著率與有損檢測釬著率對比

金相法檢測釬著率需損壞焊接組件，成本高、操作復(fù)雜、耗時長，且只能在線的維度反應(yīng)焊接情況。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，超聲成像給觸頭材料釬著率的檢測注入了活力。超聲無損檢測釬著率無需破壞焊接組件，操作簡便，能在面的維度反應(yīng)觸頭材料的焊接情況。為驗證超聲無損檢測的精準(zhǔn)度，將沿不同方向線切割所得樣品斷面的金相圖片和超聲檢測圖片(虛線為線切割位置)進(jìn)行對照，如表3所示，二者反映的缺陷基本一致。因此，可直接采用超聲無損檢測方法探究焊接組件釬著率。

表3 超聲無損檢測釬著率和金相法檢測釬著率對比表

Tab.3 Comparison table of ultrasonic non-destructive testing brazing rate and metallographic method testing brazing rate

2.2 釬料粒徑及級配含量對焊接組件性能的影響

釬料的粒度對焊膏的釬焊性能影響很大。尺寸小的合金粉重量較輕，難以抵御焊膏中各物質(zhì)在加熱過程中氣化產(chǎn)生的外推力，容易飛濺至觸點周圍，形成焊球等，如圖2橢圓圈標(biāo)識處所示。焊球不僅影響產(chǎn)品外觀，在使用過程中容易形成可移動的金屬顆粒物，對電器的可靠性造成不利影響。另外，選擇合適釬料粒徑及級配含量對獲得高釬著率的焊接組件至關(guān)重要。

圖3為不同Ag-20Cu-15Zn釬料粒徑及級配含量焊膏方案和焊接組件釬著率的關(guān)系圖(圖內(nèi)誤差棒為10次重復(fù)試驗所得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。根據(jù)圖3，合金粉(1#)全為75～150 μm的大顆粒釬料(比表面積為0.030 m2/g)，其釬著率為83.44%；合金粉(2#)全為25～45 μm的小顆粒釬料(比表面積為0.122 m2/g)，其釬著率為87.66%；選擇的合金粉(5#)全為45～75 μm的釬料(比表面積為0.038 m2/g)，其釬著率最高，達(dá)到95.35%。這是由于釬料顆粒度越大，其比表面積越小，完全熔化所需要的能量越多，影響釬料在母材上的鋪展、擴散等。釬料顆粒度越小，其比表面積越大，在焊接過程中極易氧化[11]，影響釬料與母材之間的相互作用，進(jìn)而影響釬焊效果。

2.3 釬料占比對焊接組件的影響

助焊劑是焊膏的重要組成部分，其在焊接過程中起到的作用包括防止釬料氧化，去除觸橋表面氧化物，降低釬料與母材間的界面張力，使得熔化的釬料能夠快速在母材表面潤濕、鋪展等。當(dāng)焊膏中助焊劑含量較低時，助焊劑的上述作用降低，導(dǎo)致焊接界面孔洞較多，釬著率低，且會由于浸潤釬料的助焊劑過少，焊膏因太干而不利于點涂[12]。另外，釬料的添加量勢必增加，導(dǎo)致焊膏成本大大提高。但當(dāng)焊膏中助焊劑含量過高時，釬料含量過低，釬料在母材上鋪展的量過少，也容易導(dǎo)致焊接釬著率較低。圖4為不同Ag-20Cu-15Zn釬料占比配制焊膏焊接組件的釬著率。由圖4可見，當(dāng)Ag-20Cu-15Zn釬料占60%時，釬著率最高。當(dāng)焊膏中釬料占比低于60%時，有機載體和助焊劑占比過多，在焊接高溫下產(chǎn)生氣體較多，無法完全逸出，或逸出后留下孔洞。此時體系中釬料較少，無法將孔洞填平。當(dāng)釬料占比高于60%時，助焊劑占比過少，無法對焊接表面起到清潔潤濕作用，釬料不能很好的在基材表面鋪展，導(dǎo)致部分區(qū)域釬料較多，部分區(qū)域沒有釬料，在焊接高溫下無釬料部分表現(xiàn)為孔洞，且釬料較多部分易出現(xiàn)不完全熔化現(xiàn)象，導(dǎo)致虛焊。

圖2 焊后組件圖像(粒度25～45 μm釬料)

圖3 焊膏配方(1#～5#)與釬著率的關(guān)系

圖4 焊膏配方(6#～9#)與釬著率的關(guān)系

2.4 釬料種類對焊接組件的影響

在保證焊接質(zhì)量的條件下，為進(jìn)一步降低焊膏成本，研究了Ag-20Cu-15Zn、Ag-22Cu-17Zn-5Sn兩種合金粉對焊接組件的影響。Sn的加入會降低銀銅鋅合金的熔化溫度，提高釬料焊接流動性，綜合性能好。圖5為兩種釬料的差示掃描量熱(DSC)曲線。

(a). Ag-20Cu-15Zn; (b). Ag-22Cu-17Zn-5Sn

根據(jù)圖5數(shù)據(jù)，Ag-20Cu-15Zn的固相點為680℃左右，液相點為725℃左右；而Ag-22Cu-17Zn-5Sn的固相點已降至620℃左右，液相點降至660℃左右。在采用Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料焊膏(10#配方)開展焊接實驗時，如焊接控制溫度仍保持為680℃～685℃，釬料在達(dá)到焊接溫度時已完全熔化流失，導(dǎo)致觸點銀層和觸橋直接接觸，熔點較低的銀層極有可能發(fā)生熔化，焊接組件的電阻提高，在使用過程中極易造成溫升過高，影響焊接組件的使用壽命。當(dāng)將焊接控制溫度降低至620℃～625℃時，Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料焊膏焊接效果優(yōu)異，外觀飽滿無孔洞，釬著率可升高至99.44%。但在該溫度下，Ag-20Cu-15Zn釬料焊膏還未完全熔化，焊后組件不密封。因此，采用Ag-20Cu-15Zn釬料焊膏的焊接控制溫度設(shè)定為680℃～685℃，Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料焊膏的焊接控制溫度設(shè)定為620℃～625℃。

為研究Ag-20Cu-15Zn和Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料焊膏焊接組件差異，將焊后組件切割后，鑲?cè)虢鹣鄡?nèi)，做貫穿觸點、釬焊層及觸橋的成分線分析掃描，結(jié)果如圖6所示。

(a). Ag-20Cu-15Zn; (b). Ag-22Cu-17Zn-5Sn

由圖6可見二者無明顯差異。這是因為Ag-22Cu-17Zn-5Sn中的Sn含量僅為5%，在焊接過程中，低熔點的Sn蒸發(fā)溢出焊接界面，僅留下Ag、Cu、Zn三種元素，其釬焊層性質(zhì)和Ag-20Cu-15Zn無差異。

Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料較Ag-20Cu-15Zn釬料中銀的比例減少9%，Ag-22Cu-17Zn-5Sn焊接釬著率高4.09%，焊接溫度低60℃，可在一定程度上提高觸頭材料硬度，同時降低成本、節(jié)能減耗，對研發(fā)低成本、高性能焊膏具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

1) 以Ag-20Cu-15Zn為釬料制作焊膏，釬料占比過少時，無法完全填充到母材間隙；釬料占比過多，助焊劑降低釬料與母材間界面張力等作用得不到體現(xiàn)，都會降低焊接釬著率。釬料粒徑過小，在釬焊過程中易形成焊球，對電器可靠性造成不利影響；粒徑過大，焊接過程中無法全部熔化，降低焊接釬著率。當(dāng)釬料占60%時，釬料粒徑為45～75 μm，焊接效果最佳，釬著率為95.35%。

2) 釬料中銀含量和焊接釬著率并不呈正比，Ag-22Cu-17Zn-5Sn釬料較Ag-20Cu-15Zn釬料中銀的比例減少9%，但制作的焊膏焊接釬著率提高4%，焊接溫度降低60℃，可為高性能、低成本焊膏的研發(fā)提供參考。

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Study on effect of silver brazing filler metals on the brazing rate of silver contacts

LIU Feng-ya1, YU Cui-juan2, DU Yong-guo2, DING Yong1, PENG Tao1, WANG Nai-qian1

(1. Foshan Noble Metal Technology Co. Ltd., Foshan 528200, Guangdong, China;2. College of Aerospace Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

H85 brass contact bridge and silver layer of AgSnO2/Ag contact were used as base materials, two silver alloy powders were used as brazing filler metals of brazing pastes. Mechanical properties, metallographic microscope, scanning electron microscope (SEM) and thermal analysis were used to study the influence of particle sizes, contents of Ag-20Cu-15Zn silver alloy powders and Ag-22Cu-17Zn-5Sn silver alloy powders on brazing rates. The results show that when Ag-20Cu-15Zn silver alloy powders’ particle sizes were between 45 to 75 μm, content was 60%, the brazing rate was the highest, which is 95.35%; the addition of Sn in the brazing filler metals reduces the melting temperature by 60℃, the fluidity of the silver brazing paste was enhanced during the brazing process, which was beneficial to increase brazing rate.

metal materials; brazing pastes; silver alloy powders; particle sizes; contents; brazing rate

TG425.2

A

1004-0676(2021)04-0021-06

2021-01-21

劉風(fēng)婭，女，碩士，工程師，研究方向：材料開發(fā)。E-mail：957825852@qq.com