铜、铝基材金属硬焊接合与填料合金之界面扩散研究分析

1、PAGE PAGE 44目次壹、摘要p02 貳、前言p02 參、理論背景p02肆、製作方法及進行步驟p044.1基材試件方面p044.2填料箔片方面p054.3合金分配計算式p054.4試件堆疊方式（表一）p064.5試件接合、拋光金相觀察過程p084.6嘗試真空封管進行接合試驗p084.7研究設計流程圖p094.8研究製造流程圖p10伍、預計完成製作項目及成果p11 陸、結果p11 柒、討論p17 捌、參考資料及文獻p18 附錄（A）放大觀察圖p18 附錄（B）試件實體圖p241銅、鋁基材金屬硬焊接合與填料合金之界面擴散研究分析 李奎稷，王裕翔 北台科學技術學院93年度二技機械工程系 指導教

2、授：楊子毅副教授 一、摘要 本研究以純鋁（Al）鋁片、純銀（Ag）箔片或者合金填料箔片（81.8Sn3.4Ag4.8Bi10Sb、81.8Sn3.4Ag4.8Bi10Zn、40.1Sn40.1Ag4.8Bi15Sb）之箔片為填料金屬，硬焊純銅（Cu）銅片。共實驗9個失敗了4個，其它的試件皆有接合之情況，以Cu；Al；Ag；Al；Al及錫基填料接合銅片之接合成果較明顯，在其中我們可以觀看出試件間許多界面間接合狀況；對所觀察之現象做分析比例換算及探討。 二、前言 針對材料之不同特性進行研究，了解材料在真空焊接發生前後之不同及材料在不同溫度、時間、方式下，所產生出新的組織等反應層，了解各反應層的成長

3、率及生成活化能並加以紀錄分析，而本實驗以目前不易接合的銅、鋁作為基材自行搭配合金來做接合或以兩兩相同之基材為前提來做接合實驗，或者使用石英玻璃管，將硬焊試件放入抽真空再放入一般高溫爐或真空爐再進行實驗，增加真空度使銅、鋁焊接性變高，藉此來了解分析銅、鋁硬焊接合為何不易之原因，其中反應組織因溫度、時間、填料不同有何改變，了解金屬間接合情況的晶粒尺寸、顯微組織可提供所需之數據、材料特性及組織關係。 本專題主要探討實驗銅、鋁基材金屬硬焊接合填料合金之界面擴散研究分析，藉此試驗了解銅、鋁為何接合不易、其中組織關係、晶粒變化。簡言研究之目的：（1）試件、薄片尺寸大小設計。 （2）自行計算搭配合金。 （3

4、）真空爐溫度、時間的控制。 （4）石英玻璃管封管平台設計。 三、理論背景 在實驗前我們必須先了解，硬焊接合和填（焊）料間的關係，在此我們為了增加焊接性自行搭配合金填料成分，下列說明硬焊、填（焊）料、配置合金之原理及過程。 3.1 銲錫之定義 目前各種形式的合金焊料，其最權威的國際規範為J-STD-006。此文獻之最新版本為1996.6的Amendment 1，由於資料很新，故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規範QQ-S-571。IPC還有一份重要的焊接手冊IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定義熔點在430以下為軟焊（Soldering），也就是錫焊。另外，熔點在430以上稱為硬焊（Bra

5、zing），係含銀之高溫高強度焊接。早期歐美業界，亦稱熔點600（315）以下者為軟質銲錫，800（427）以上者為硬質焊錫。 原文Solder定義為錫鉛含金之焊料，故中譯從金旁為銲錫，而利用高熱能進行熔焊之Soldering（註意此一特定之單字，並非只加ing而已），則另從火旁用字眼的焊接，兩者涵義並不完全相同。 焊接用合金 要接合兩種金屬時，可以利用比被接合之合金的熔點較低的金屬來接合。這方法叫做焊接（brazing）。焊接用的合金有軟焊料（soft solder）和黃銅為主的硬焊合金（brazing alloy）。 （1）軟焊料（soft solder） 軟焊料是含2590Sn，其餘為P

6、b的合金，通常使用含有4050Sn者。因為Pb對人體有害，所以Pb在10以上者不能用於飲食用容器的軟焊。見表之範例。表3.1（a）常見軟焊料的成分和用途 （2）硬焊合金（brazing alloy） 通常所用的硬焊合金是3367Zn的黃銅。這種合金的熔點高，比軟焊料難於焊接，但是硬度和抗拉強度大。焊接時把硬焊合金碎成粉末，和硼砂混合後散佈在接合處表面，然後用燃氣器（gas burner）等加熱它。 熔點較高的硬焊合金用於鋼鐵的接合，黃銅等熔點較低的材料，用Zn含量較多的硬焊合金來接合。 硬焊合金除了黃銅以外，由接合材料之不同而另有使用銅、白銅、銀、金等者。見表之範例。表3.1（b）常見硬焊料的

7、成分和用途 而本實驗所使用之焊接填料皆為軟焊料之錫基合金，實驗之錫基合金是學生自行計算搭配，在此稍微舉例常見的軟焊料及硬焊料之間成分、溫度等的差別，以廣泛資料來舉例形容兩者間之差別。 表3.1（a）常見軟焊料的成分和用途 表3.1（b）常見硬焊料的成分和用途 四、製作方法及進行步驟 4.1基材試件方面： 本研究選用的基材金屬為純度極高之純銅、純鋁，以實驗室現有提供之材料來裁切。將原本500500之銅片、純鋁，利用手工粗切機進行粗切，再用切割機進行細切，試片切割裁成10 8 3 尺寸並將其導角，以利試件間的接合，將試片表面經400、600號砂紙研磨後然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，之

8、後把試片清洗乾淨（清洗試片銅：5硫酸95水；鋁：飽和的氫氧化鈉0.120g水100），放入酒精裡浸泡等待試驗。 另外我們也試用鎳鋁合金來作為基材，但它最初外表似一圓球質硬，我們將它經過放電加工機加工切成長條狀，爾後依我們設計之尺寸經過切割之步驟將試片切割裁成10 8 3 尺寸，剛開始鎳鋁合金的表面氧化嚴重將試片表面經400號砂紙研磨後並將其導角，然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，再來將試片清洗乾淨（清洗試片5丙酮10硫酸85水），放入酒精裡浸泡等待試驗。 4.2填料箔片方面： 我們使用四種箔片，鋁箔、銀箔先將試片切割裁成10 8尺寸，然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，再來把

9、試片清洗乾淨（清洗試片鋁：飽和的氫氧化鈉0.120g 水100；銀：洗銀水），然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，完成後放入酒精裡浸泡等待試驗。另外有3種箔片須先配置合金，以一個坩鍋20g 為主以單位100來分配，其中，是經過觀察各合金相圖、參考資料經過老師及同學討論後設計分配比例（如下列計算式），81.8Sn 3.4Ag 4.8Bi 10Sb 、81.8Sn 3.4Ag 4.8Bi 10Zn 、40.1Sn 40.1Ag 4.8Bi 15Sb 、91Sn 9（Zn 5Al ），而這些配置合金之成品為一塊狀，須經點火燃燒將其軟化，當其成液滴下時以軟槌瞬間敲擊，會成一平板狀，之後大小也裁

10、成10 8尺寸，也須經過酸洗及超音波洗淨，完成後放入酒精裡浸泡等待試驗。 4.3計算式： 81.8Sn 3.4Ag 4.8Bi 10Sb 36 .161008.8120? ?Sn g 68.01004.320? ?Ag g 96 .0100 8.420?Bi g 2100 1020? ?Sb g 81.8Sn 3.4Ag 4.8Bi 10Zn 36 .161008.8120? ?Sn g 68.01004.320? ?Ag g 96 .0100 8.420?Bi g 2100 1020? ?Zn g 40.1Sn 40.1Ag 4.8Bi 15Sb g Sn 02.81001.4020? ?

11、g Ag 02.81001.4020? ? 96 .0100 8.420?Bi g g Zn 3100 1520? ? 温馨推荐您可前往百度文库小程序享受更优阅读体验 不去了立即体验91Sn 9（Zn 5Al ） g Sn 2.181009120? ? g Zn 8.0100 420? ? 1100 520? ?Al g 由上述計算說明得知每個填料所需之重量加以配重，計算無誤皆同等於坩鍋之重量，方可放入坩鍋進行熔煉。 4.4試件堆疊方式： 試件之堆疊方式，例如：先以1片銀箔片為最內處材料；其次再以2片鋁箔片上下夾住銀箔片；最後以2片銅片作為外層夾住上述兩種試片，放入真空爐時在試件上方施加一重物

12、（如同衝擊試片之重量或同等重物），在設計之特定時間及溫度進行焊接接合箔片因溫度升高開始軟化而施加在上方之鋼片會以緩慢的速度往下壓，此動作可使兩者箔片和銅片能充分交合。（見下圖表4.1） 表4.1 4.5試件接合、拋光金相觀察過程： 試件接合時，依表4.1所標定的成份、溫度及時間等完成試件接合後，即可將試件做金相處理及接合面之觀察，將完成後之試件用切割機從試件中間切斷，其是將接合試件剖切、細拋光將試件磨成平滑面可使試件站立不倒，之後做冷鑲埋將試件固定在中間，1520分鐘完成後再細拋光一次，之後就做精拋光，精拋光時我們使用氧化鋁粉液，調配比例後分成3階段精拋光，每階段持續到觀察面為最光滑為主，而在

13、每次精拋光時不可任意旋轉冷鑲埋試件，會造成過多的紋路及觀察面過多的痕跡，三階段精拋光完成後使用腐蝕液腐蝕，維持35秒即可使用光學顯微鏡做觀察。之後我們完成一個完整的試驗表格，完成後其結果顯示接合介面是否產生出新的介面，以及試件接合後之的顯微結構組織並觀察其相圖之變化，進行材料之分析及探討。（見六、結果表） 4.6嘗試真空封管進行接合試驗： 我們曾試著在試件在硬焊接合的同時，在此時也進行另一項試驗，此試驗可改善硬焊接合後試件氧化之情形，更可提高溫度做硬焊接合情況，我們嘗試真空封管的接合試驗，嘗試此試驗我們有兩種功用：一、我們可以配置此合金91Sn9（Zn5Al），此合金可以提高銅、鋁兩種不同合金

14、在硬焊接合時提高接合力； 二、因我們要降低試件在真空硬焊接合時的氧化程度。此兩項原因，我們嘗試真空封管的接合試驗。 開始我們將真空抽引機和石英玻璃管之間以塑膠長軟管接合，塑膠長軟管與真空抽引機和石英玻璃管的初口處先沾上膠質黏狀物，此可初步預防空氣流入玻璃管內，在來就是以防水膠帶纏繞此兩物之初口處，加強密實度防止空氣完全不進入，將比例分配好之合金試件丟入後開始進行真空抽引，將氧乙炔機點火後把火焰調成白色光，火焰焰心調至最小，之後邊抽真空邊做封管的動作，但在此我們碰到了難題，因石英玻璃管所需溫度較高，為將其燃燒軟化溫度需要均勻分布在玻璃管四周，但，經過長時間的封管燃燒始終沒法將其燃燒軟化封管，試過

15、了很多的改善方法我們始終沒成功，我們最後也想到可能是氧乙炔機火嘴不夠大，使其受熱不均無法燃燒軟化，但因實驗時間的關係，我們放棄嘗試真空封管的接合試驗繼續爾後之試件接合及拋光金相觀察過程的工作。 圖4.3研究設計流程圖 圖4.4研究製作流程圖 五、預計完成製作項目及成果 1架構燃燒石英玻璃平台及抽引石英玻璃真空時之封管試驗。 2繪出試片堆疊後之圖形及硬焊接合剖半後之圖形。 3對此研究作金相圖及金屬顯微結構組織之分析。 4撰寫研究書面報告之成果與討論。 5完成基層金屬箔片硬焊接合Cu金屬之實體成果。 六、結果 使用光學顯微鏡來觀察切片後試件間的介面，觀察此試件我們透過物鏡、目鏡之倍率，相機選擇近拍

16、模式，鏡頭拉到最滿拍攝，照片尺寸設為英吋34吋的大小，依比例計算後得之，我們照片每一放大230倍（1230），此格實際尺寸為23，依照片縮放比例後此格為0.1。 七、討論 本文研究以純鋁、純銅在特定條件接合純鋁、純銀箔片或錫基合金，並觀察其硬焊接合後焊接面的顯微組織，其試件接合面之變化，對結晶及反應層做觀察在完成試件系統中生成反應出新的介面；也發現新的組織等反應層，結果顯示接合介面似乎有有新的析出物。 在此設定情況下的鋁應該會熔化變形，而其中的焊料會和鋁有黏結之情形，不過，實驗後我們卻發現，剛開始取出試件時兩鋁片是有相黏之情形，但在受外力輕微撞擊或震動，其就脆弱的完全分離，不管是鋁、銅接合還是

17、鋁、鋁接合，鋁完全沒和填料有任何接合之情況，我們和老師共同討論思考過此問題，總結下列幾點： （1）放置真空爐後，其氧化速度非常快，造成鋁的表面在填料尚未熔化時以形成一氧化層，當填料熔化後造成其完全無法黏接。 （2）真空爐之真空度不足，在真空爐中其真空效果差，無法完全使試件達到不氧化的環境，其也有改善之方法，在真空爐旁通氬氣減少其真空閭內之氧化情況，但因牽涉到設備動用之關係，而另想它法。 （3）上述之情況有另外解決之方法，可利用石英玻璃抽真空將試件包覆在內，可使氧化之情況減少到最低。玻璃管抽真空的平台，雖架構早已設計好，但管路上的問題是一直難以解決的，管路口徑的大小、要如何將不同管路相連包覆、燒

18、結石英玻璃溫度控制及火焰口徑大小，是在製作此平台的困難點。 （4）將鋁基材換成其它的鋁系基材，或許可稍稍提高其黏合度，此可成為往後實驗方向之一。 （5）因真空爐之真空度較差，而一般高溫爐或許情況會稍稍好點，而在下敘述之實驗情況我們是用一般高溫爐來做焊接。 討論到此時，我們繼續實驗了用81.8Sn3.4Ag4.8Bi10Sb、81.8Sn3.4Ag4.8Bi10Zn來焊接鋁銅基材，因填料屬於低溫材料，我們知道填料為軟焊料，溫度在350400就會熔化我們將溫度控制在此範圍內，而時間繼續保持在3050分左右，跟之前黏接方式一樣使用三明治式，將基材鋁和銅放置在最外部而填料夾置中間，完成後放置燒結爐。而

19、一般高溫爐的溫度並未和顯示之溫度一樣，須在提高75，其中也包括了實驗的理想值也需算至裡面，加熱完成後我們拿出觀看，其焊接度也如往常一樣完全無焊接起來而完全的分離，但其氧化程度卻比真空爐稍好。 雖然此次也無焊接起來，但我們開始找到往後的實驗方向，以上述總結的（3）、（4）為往後的實驗方向，已改變鋁基材或中間填料成分為往後之研究方向，以填料方向我們可以論文作者研究出之成分比例來著手，也可自行觀看相圖後來製 作成分比例。假如想從基材著手，我們可從實驗室早已備有之鋁系合金基材來來做實驗。 八、參考書籍及文獻 （1）鎳態形狀記憶合金硬焊接合研究【楊子毅；周正國第十四屆全國技術及職業教育研討會論文集199

20、9年5月工業類：機械組】 （2）紅外線硬焊接合純鈦和鈦6鋁4釩合金【楊子毅；吳錫侃材料學會88年年會NSC882216E149002】 （3）The Influence of the Reactant Size and Shape On Combustion Synthesis【李弘斌Journal of Science and EngineeringVol.35No.1：PP.1123（2003）】 （4）Wetting interaction of Pbfree SnZnAl solders on metal plated substrate 【KwangLung Lin；YuChien WangJournal of Electronic Materi