AgCu28钎料钎焊无氧铜晶界渗透行为分析

连 欣 曲文卿

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

李海涛 王国建

(中国科学院 电子学研究所，北京100190)

电真空器件指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件，如微波电子管、行波管、开关管等[1].电真空器件具有大功率、高频以及低成本的特点，故而越来越广泛地应用在军事、商业以及医疗系统中[2].电真空器件制造过程中存在大量的使用AgCu28共晶钎料来钎焊无氧铜与其他材料的情况，AgCu28共晶钎料熔点较低，没有结晶间隙，所形成的焊缝的导热性和导电性也较好且价格便宜[3－4].在电真空器件制造上，它的使用量占总焊料量的80% 以上[4－5].

使用AgCu28钎料多次钎焊无氧铜和其他材料(如镀镍不锈钢、蒙乃尔等)时，极易造成无氧铜母材性能下降，经观察与分析得知在钎焊过程中AgCu28钎料沿无氧铜晶界进行扩散，即晶界渗透.晶界渗透又称为晶界渗入，是指液相金属和固相金属接触时，液相金属向固相金属晶界处产生的渗透现象[6－7].在钎焊和接触反应钎焊接头中出现晶界渗透，可能造成钎焊接头的强度和塑性严重下降，特别是采用钎焊和接触反应钎焊连接薄壁结构，一旦产生晶界渗透往往造成连接失败[8].因此加强对晶界渗透行为的研究具有一定意义.

本文针对电子器件常用材料无氧铜、镀镍不锈钢和蒙乃尔，采用AgCu28钎料对以上3种材料的钎焊接头进行微观组织分析，为电真空器件的生产可靠性论证提供数据支撑和技术指导.

1 实验方法与材料

本实验所用试样为AgCu28钎料钎焊的无氧铜-无氧铜、无氧铜-镀镍不锈钢和无氧铜-蒙乃尔的钎焊接头，3种钎焊实验均在相同条件下进行，其钎焊温度-时间曲线如图1所示，分别在60～120 min和127～130 min进行保温，130 min之后进行随炉冷却.沿横截面(轧制方向)截取试样，用镶嵌机进行镶嵌，对试样分别用400#，800#，1000#，1500#和2000#砂纸进行研磨及抛光，并对无氧铜采用混合酸溶液(5%FeCl3+5%HCl+90%H2O)腐蚀.采用Olympus B×51M规格光学显微镜和JSM-5800扫描电镜对钎焊接头区域的微观组织及成分进行观察和研究.

图1 钎焊温度-时间曲线

2 实验结果与分析

2.1 无氧铜-无氧铜

图2给出了无氧铜-无氧铜钎焊接头的微观组织形貌.由图2a可以看出，无氧铜-无氧铜焊缝填充完全，边界清晰.钎料在焊缝融化均匀，润湿效果好.焊缝整体组织分布较为均匀、结合紧密、界面组织良好，钎料没有沿着无氧铜晶界进行扩散，即无晶界渗透现象，无气孔裂纹等缺陷.图2c中点成分扫描的结果见表1.

图2 无氧铜-无氧铜钎焊接头微观组织

表1 图2c中点成分扫描结果 %

由图2b和图2c可以看出，钎料中均匀分布着白黑相间的Ag和Cu的固溶体组织，钎料润湿性好，图2b中Cu元素的成分扫描曲线显示无氧铜母材向钎料内有溶解现象.

2.2 无氧铜-镀镍不锈钢

图3所示为无氧铜-镀镍不锈钢的微观组织形貌.由图3a可以看出，AgCu28钎料与两侧母材均发生不同程度的反应，其中与无氧铜母材反应尤其剧烈，钎料沿着无氧铜晶界进行扩散，即发生明显的晶界渗透现象.没有夹杂、裂纹等缺陷.图3b中给出了无氧铜-镀镍不锈钢的线扫描结果，自上而下依次是:不锈钢、镀镍层、镀镍层与钎料反应层、钎料层以及无氧铜母材，层次分明.图3c为点扫描结果，图中各点含量见表2.

图3 无氧铜-镀镍不锈钢钎焊接头微观组织

表2 图3中各点成分原子分数 %

在镀镍层与钎料反应层中，Ni元素含量较高，说明镀镍层中的Ni在焊接过程中溶解进入钎料并与之发生反应.在钎料层中，黑色部分是钎料的富Cu相(见点B、点D)，白色部分是钎料的富Ag相(见点C、点E、点F)，在钎料的这两种相中均检测到Ni元素.从图3b中Ni元素的成分扫描曲线可以看出，镀镍层中Ni元素的含量比较高，在镀镍层与钎料的反应层中Ni含量呈坡度式降低，从而得知镀镍层中的Ni进入钎料层并与之发生反应;依次往下看，在焊缝内部Ni元素含量起伏变化，说明Ni元素从反应层扩散进入钎料层;又结合表2中的点扫描结果可知，在反应层、钎料层以及无氧铜母材中均检测到Ni元素，且从上到下，Ni含量在不断降低，这是镀镍层中的Ni在焊接过程中不断溶解扩散的结果.而且在钎料的富Cu相(见点B、点D)以及无氧铜母材中(见点G)Ni元素的含量明显高于钎料的富Ag相(见点C、点E、点F)中Ni元素的含量，即Ni元素在Cu中的溶解度高于在Ag中的溶解度，说明Ni元素始终沿着Cu晶界进行扩散(而Ni元素同时溶解进入钎料)，从而导致钎料对无氧铜母材进行晶界渗透.

2.3 无氧铜-蒙乃尔

图4为无氧铜-蒙乃尔钎焊接头的微观组织形貌.由图4a可以看出，AgCu28钎料与无氧铜母材发生剧烈反应，钎料沿着Cu晶界进行扩散，即晶界渗透现象较为明显.图4b中各点扫描结果见表3.

由表3中结果说明钎焊之后钎料的富Cu相(见点C)和富Ag相(见点B、点 D)中均检测到Ni成分，且Ni元素在钎料的富Cu相的含量明显高于钎料的富Ag相中的含量，说明Ni元素始终沿着Cu晶界进行溶解扩散(而Ni元素同时溶解进入钎料)，从而造成钎料对无氧铜进行晶界渗透.

图4 无氧铜-蒙乃尔钎焊接头微观组织

表3 图4b中各点成分原子分数 %

3 结论

1)使用AgCu28钎料钎焊无氧铜和无氧铜时，钎料在焊缝融化均匀，润湿效果好.焊缝组织分布均匀，结合紧密，接头组织良好，焊缝未产生晶界渗透现象.

2)使用AgCu28钎料钎焊无氧铜和含Ni母材时，钎料与无氧铜母材反应剧烈，钎料沿着无氧铜晶界进行扩散，即发生明显的晶界渗透现象.

3)使用AgCu28钎料钎焊无氧铜和含Ni母材时，含Ni母材中的Ni元素在钎焊过程中快速溶解进入钎料，且Ni元素始终沿着Cu晶界进行扩散，导致钎料对无氧铜母材产生晶界渗透.经分析认为，Ni元素在钎料中的溶解是导致钎料对无氧铜产生晶界渗透的主要原因.

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