金基焊料的典型應用分析及其可替代材料

2009-12-02 張振霞中國科學院電子學研究所

　　在電真空行業中,廣泛采用的焊料有銅基焊料和銀基焊料。金基焊料由于其價格較高,使用成本昂貴,應用受到了很大的限制。但在實際工作中,有時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,且焊料的蒸氣壓較低時。本文的主要目的是討論金基焊的典型應用、優缺點和可替代焊料。

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、流點一致。此外, Au-Ni(17.5) 對焊接接頭的間隙要求不嚴格,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、金基焊料的典型應用

2.1、在階梯焊中的應用

　　在實際工作中,有許多復雜的焊接結構常常需要進行多次焊接。這時,就需要在不同的溫區內選擇幾種不同焊料,從而實現階梯焊接。①高溫溫區( > 1000 ℃) 。無氧銅焊料熔化溫度為1083 ℃,是這個溫區的最佳焊料,它具有很好的焊接強度和塑性,既可焊接各種金屬,也可以封焊接陶瓷;缺點是因為焊接溫度較高,對零件的配合和電鍍的質量要求較高。②中溫溫區(900～1000℃) 。上述四種規格的金基焊料都屬于這個溫區中的焊料,其中Au-Cu(65)和Au-Cu(50)可作為瓷封焊料焊接陶瓷;缺點是焊料價格貴,成本高。③ 低溫溫區( < 800℃) 。

　　這個溫區的可選焊料主要有Ag-Cu(含Cu28%) 和Ag-Cu-In(75-10-15)。缺點是蒸氣壓較高,不能滿足對絕緣和耐壓要求較高的特殊場合的使用。根據實際焊接結構的需要,從上面三個溫區中分別選擇一種焊料,也可以從其中任兩個溫區中選擇焊料。例如: ①高溫溫區選擇Cu 焊接陶瓷,中溫溫區選擇金基焊料進行焊接,低溫溫區選擇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選擇Au-Cu (65) ,然后再在中溫溫區選擇Au-Ni ,同樣可以實現階梯焊。

　　如果焊接結構為無氧銅與陶瓷焊接,也可以多次采用Ag-Cu (28) 焊料,進行多次焊接。這是因為焊料熔化過程中會與母材中的無氧銅發生熔煉,從而形成含銅略高于共晶點的新焊料層。在后續再用Ag-Cu(28) 焊接時,通過合理的控制焊接溫度,前次的焊料一般不會熔化。但是,通過這種方法實現的階梯焊,只能應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,同時對焊接工藝的控制要求比較嚴格。因此,這種方法的應用有很大的局限性。

　　通過以上分析,可以看到:在實現復雜階梯焊接時,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。蒸發物沉積到陶瓷上,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,常常會因為焊料蒸散,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,Ag-Cu(28)焊料的蒸氣壓要比Cu和Au-Cu(20)高好幾個數量級。當整管真空排氣至450～500 ℃加之陰極分解時,該區域的溫度將接近600～700 ℃。因此,銀蒸氣的影響不可忽視。事實證明,在這些關鍵部位,用金基焊料替代銀基焊料所帶來的焊料成本增加要遠遠小于器件因性能不達標而帶來的返修成本。

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點,可以減少高溫變形。其次與Ag-Cu (28) 焊料相比,它們具有以下幾個優點: ① 采用Au-Cu (65) 和Au-Cu(50) 焊料可以避免采用Ag-Cu(28) 焊料產生的銀蒸氣對輸出窗片的污染; ②因為Ag-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采用Au-Cu (65) 和Au-Cu (50) 焊料,而總焊時采用Ag-Cu (28) ,可實現階梯焊接。