金基焊料的典型應(yīng)用分析及其可替代材料

2009-12-02 張振霞中國科學(xué)院電子學(xué)研究所

　　在電真空行業(yè)中,廣泛采用的焊料有銅基焊料和銀基焊料。金基焊料由于其價(jià)格較高,使用成本昂貴,應(yīng)用受到了很大的限制。但在實(shí)際工作中,有時(shí)金基焊料仍是一種必要的選擇,比如,要求焊料的熔化溫度在900～1000 ℃溫度內(nèi),且焊料的蒸氣壓較低時(shí)。本文的主要目的是討論金基焊的典型應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)和可替代焊料。

1、常用金基焊料

　　目前,在電真空焊接中,較常用的幾種金基焊料有以下幾種:

(1) Au-Cu焊料

　　金和銅能形成無限固溶體,所以塑性很好。按照不同的配比,可以制成不同熔、流點(diǎn)的焊料。常用的幾種Au-Cu焊料見表1,其中Au-Cu(65)和Au-Cu(50)可作為瓷封焊料進(jìn)行陶瓷-金屬焊接。

表1 　幾種常用的Au-Cu焊料

幾種常用的Au-Cu焊料

(2) Au-Ni焊料

　　Au-Ni (17.5) 亦可形成無限固溶體,故塑性好,且是共晶焊料, 熔點(diǎn)、流點(diǎn)一致。此外, Au-Ni(17.5) 對焊接接頭的間隙要求不嚴(yán)格,可以簡化零件的裝配。

　　Au-Cu的相圖如圖1 所示,Au-Ni的相圖如圖2 所示,其中ORDER指有序固溶體。

Au-Cu相圖 Au-Ni相圖

圖1 　Au-Cu相圖　　圖2 　Au-Ni相圖

2、金基焊料的典型應(yīng)用

2.1、在階梯焊中的應(yīng)用

　　在實(shí)際工作中,有許多復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)常常需要進(jìn)行多次焊接。這時(shí),就需要在不同的溫區(qū)內(nèi)選擇幾種不同焊料,從而實(shí)現(xiàn)階梯焊接。①高溫溫區(qū)( > 1000 ℃) 。無氧銅焊料熔化溫度為1083 ℃,是這個(gè)溫區(qū)的最佳焊料,它具有很好的焊接強(qiáng)度和塑性,既可焊接各種金屬,也可以封焊接陶瓷;缺點(diǎn)是因?yàn)楹附訙囟容^高,對零件的配合和電鍍的質(zhì)量要求較高。②中溫溫區(qū)(900～1000℃) 。上述四種規(guī)格的金基焊料都屬于這個(gè)溫區(qū)中的焊料,其中Au-Cu(65)和Au-Cu(50)可作為瓷封焊料焊接陶瓷;缺點(diǎn)是焊料價(jià)格貴,成本高。③ 低溫溫區(qū)( < 800℃) 。

　　這個(gè)溫區(qū)的可選焊料主要有Ag-Cu(含Cu28%) 和Ag-Cu-In(75-10-15)。缺點(diǎn)是蒸氣壓較高,不能滿足對絕緣和耐壓要求較高的特殊場合的使用。根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)的需要,從上面三個(gè)溫區(qū)中分別選擇一種焊料,也可以從其中任兩個(gè)溫區(qū)中選擇焊料。例如: ①高溫溫區(qū)選擇Cu 焊接陶瓷,中溫溫區(qū)選擇金基焊料進(jìn)行焊接,低溫溫區(qū)選擇Ag-Cu(28) 。②如果與陶瓷焊接零件為無氧銅,可以直接從中溫溫區(qū)選擇Au-Cu (65) ,然后再在中溫溫區(qū)選擇Au-Ni ,同樣可以實(shí)現(xiàn)階梯焊。

　　如果焊接結(jié)構(gòu)為無氧銅與陶瓷焊接,也可以多次采用Ag-Cu (28) 焊料,進(jìn)行多次焊接。這是因?yàn)楹噶先刍^程中會與母材中的無氧銅發(fā)生熔煉,從而形成含銅略高于共晶點(diǎn)的新焊料層。在后續(xù)再用Ag-Cu(28) 焊接時(shí),通過合理的控制焊接溫度,前次的焊料一般不會熔化。但是,通過這種方法實(shí)現(xiàn)的階梯焊,只能應(yīng)用在對耐壓絕緣性要求不高的焊接部位,且焊接材料為無氧銅,同時(shí)對焊接工藝的控制要求比較嚴(yán)格。因此,這種方法的應(yīng)用有很大的局限性。

　　通過以上分析,可以看到:在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜階梯焊接時(shí),金基焊料使我們有更大的選擇余地。

2.2、在一些特殊場合的應(yīng)用

(1) 陶瓷耐壓絕緣性要求較高的情況

　　真空電子器件要求焊料中不能含有蒸氣壓高的元素。如果焊料的蒸氣壓過高,則在器件的制造和使用過程中,會由于溫度升高而蒸發(fā)。蒸發(fā)物沉積到陶瓷上,使陶瓷的絕緣性變差,沉積到陰極上,會使陰極中毒。在一些特殊的部位,如電子槍、鈦泵及能量輸出窗,可用金基焊料替代銀基焊料。如果單純考慮焊料成本的因素,撇棄金基焊料,采用焊料成本相對較低的的銀基焊料,常常會因?yàn)楹噶险羯?造成部件的絕緣性變差,乃至失效,從而返修。

　　表2為幾種常見焊料的蒸氣壓。由表2 可以看到,在727℃時(shí),Ag-Cu(28)焊料的蒸氣壓要比Cu和Au-Cu(20)高好幾個(gè)數(shù)量級。當(dāng)整管真空排氣至450～500 ℃加之陰極分解時(shí),該區(qū)域的溫度將接近600～700 ℃。因此,銀蒸氣的影響不可忽視。事實(shí)證明,在這些關(guān)鍵部位,用金基焊料替代銀基焊料所帶來的焊料成本增加要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于器件因性能不達(dá)標(biāo)而帶來的返修成本。

表2 　幾種常見焊料的蒸氣壓(727 ℃)

幾種常見焊料的蒸氣壓

(2) 作為能量輸出窗的焊接焊料

　　在一些平均功率和峰值功率都較高的速調(diào)管管型的研制過程中,金基焊料作為輸出窗的焊接焊料也得到了一些應(yīng)用。在本文的四種金基焊料中,Au-Cu(65)和Au-Cu (50) 可以作為瓷封焊料。首先與無氧銅焊料比,它們具有焊接溫度低的優(yōu)點(diǎn),可以減少高溫變形。其次與Ag-Cu (28) 焊料相比,它們具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): ① 采用Au-Cu (65) 和Au-Cu(50) 焊料可以避免采用Ag-Cu(28) 焊料產(chǎn)生的銀蒸氣對輸出窗片的污染; ②因?yàn)锳g-Cu (28) 焊料易流散,采用Au-Cu (65) 和Au-Cu (50) 焊料焊接的輸出窗不易在窗框上造成焊料流散,從而保證輸出窗獲得更好的能量輸出特性; ③輸出窗片與窗框焊接時(shí)采用Au-Cu (65) 和Au-Cu (50) 焊料,而總焊時(shí)采用Ag-Cu (28) ,可實(shí)現(xiàn)階梯焊接。