燕振君，趙龍海，華鵬，李先芬，周偉，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009;2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡639798)

電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，電子產(chǎn)品趨于小型化、便攜化、多功能化，電子封裝材料也隨之迅速發(fā)展，在電子科技迅速發(fā)展的信息化社會，電子封裝與電子設(shè)計及制造共同推動著信息化社會的發(fā)展［1－3］。高硅鋁合金具有熱導(dǎo)性能好，比強(qiáng)度和剛度較高，與金、銀、銅、鎳的鍍覆性能好，與基材可焊，易于精密機(jī)加工等優(yōu)越性能［4－5］。高硅鋁合金的研制成功將使其成為滿足電訊、航空航天、國防和其他相關(guān)電子元器件所需求的新型封裝材料［6］。

由于焊接缺陷造成的封裝材料的失效已成為制約微電子電路和器件系統(tǒng)性能發(fā)展的瓶頸問題。Al-Si合金含硅量較高，材料塑性較差［7］，高硅鋁合金同時具有高的導(dǎo)熱性、內(nèi)部含有大量的硅顆粒，以及表面氧化膜的存在，使得熔焊性能差，極易形成裂紋等焊接缺陷［8］。目前，應(yīng)用較多的焊接方法有釬焊［9］、擴(kuò)散焊［10］和激光焊［11］。硬釬焊時，鋁硅合金與釬料的熔點(diǎn)相近，釬焊時鋁硅合金易過燒，使釬焊質(zhì)量難以控制;軟釬焊時，鋁硅合金與釬料之間電極電位存在較大差異，導(dǎo)致接頭抗化學(xué)腐蝕性能差，釬焊接頭的耐熱能力和氣密性較差，接頭力學(xué)性能較母材低，難以滿足電子封裝元件對接頭的使用要求。擴(kuò)散焊界面區(qū)易產(chǎn)生金屬間化合物，接頭處易出現(xiàn)孔洞、未熔合等缺陷，從而降低接頭性能。激光焊具有能量高度集中，焊縫深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、質(zhì)量好、加熱、冷卻過程極其迅速等優(yōu)點(diǎn)，一些普通焊接技術(shù)難以加工的，如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料，用激光能很容易實施焊接。雖然激光焊具有較多優(yōu)點(diǎn)，但是焊接參數(shù)選取不當(dāng)仍然會造成焊接缺陷，如共晶鋁硅合金激光焊時易產(chǎn)生氣孔和裂紋［12］。

本文主要對Al-27Si進(jìn)行表面熔敷實驗，探究在不同焊接電流、激光頻率、激光脈寬、焊接速度下焊縫的表面成型質(zhì)量和熔池形狀和尺寸變化規(guī)律，獲得最優(yōu)的焊接參數(shù)，同時為后續(xù)實驗打下基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料是采用噴射沉積［13－14］成形技術(shù)制備的高純Al-27Si合金(Si含量27%)。試樣尺寸為30mm×20mm×1mm，其物理性能如表1所示［4］，顯微組織如圖1所示。

表1 Al-27Si合金的物理性能Tab.1 Physical properties of Al-27Si alloy

圖1 Al-27Si合金顯微組織Fig.1 Microstructure of Al-27Si alloy

1.2 試驗設(shè)備及方案

激光焊試驗設(shè)備為LWS-1000型激光焊接機(jī)系統(tǒng)。激光工作物質(zhì)是 Nd∶YAG晶體，激光波長1.064μm，輸出功率0～1000W，本實驗采用鏡片焦距為80mm。實驗前，使用砂紙打磨試樣表面，然后需用丙酮對材料表面進(jìn)行擦拭并盡快風(fēng)干。前期實驗發(fā)現(xiàn)，離焦量過小，焊接能量大，飛濺較大，表面成型質(zhì)量差，并有焊穿現(xiàn)象，如圖2(a);離焦量過大，焊接能量小，表面成型較好，但試樣熔深較小，改變焊接參數(shù)對熔深影響也較小，如圖2(b)、(c)。因此焊接時，選定離焦量為+1mm，保護(hù)氣為純氬，氣體流量為4L/min，分別以不同焊接電流、脈寬、頻率、焊接速度對試板進(jìn)行激光焊接，實驗參數(shù)如表2。焊接結(jié)束后，使用線切割機(jī)制備試樣，依次使用320#、500#、800#砂紙研磨試樣，然后使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，拋光結(jié)束后使用Keller試劑進(jìn)行腐蝕(20s)。

表2 27%高硅鋁激光焊接實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters of laser welding of high-silicon aluminum(27%)

圖2 離焦量對焊縫成型的影響Fig.2 Effect of defocusing distance on weld shape

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接電流變化對焊縫形貌影響

為分析焊接電流對焊縫成型的影響，以1#、2#、3#試樣為試驗對象，保證其他焊接參數(shù)不變，依次增大焊接電流，分別為80A、90A、95A。焊接后表面成型和焊縫尺寸變化如圖3、圖4所示。

圖3 1#、2#、3#試樣焊后表面成型Fig.3 Surface forming after welding for Sample 1#，2#，3#

由圖3、圖4可知，1#試樣表面成型較差，熔深較淺，激光電流較小是導(dǎo)致熔深較淺的主要原因，小電流下起焊處成型較差是因為起焊位置激光束行走過程中不太穩(wěn)定，其原因可能是試樣表面不干凈，也可能是表面氧化膜造成的。各焊接參數(shù)下焊縫尺寸變化如表3所示。在80A基礎(chǔ)上增加電流，激光焊接能量隨之增加，由表3可看出焊縫熔深顯著增加。繼續(xù)增加焊接電流，熔深繼續(xù)增加，3#試樣已完全焊透，鋁在固態(tài)時幾乎不解氫而在溶熔化后能溶解大量氫，容易使焊縫產(chǎn)生氣孔［15］。

圖4 1#、2#、3#試樣焊后焊縫截面圖Fig.4 Cross section of weld seams after welding for Sample 1#，2#，3#

表3 不同焊接參數(shù)對應(yīng)焊縫尺寸變化Tab.3 Welding size varying with weld parameter

2.2 焊接速度變化對焊縫形貌影響

以1#試樣實驗參數(shù)為對比，在保持其他焊接參數(shù)不變的情況下，依次降低焊接速度，分別為150mm/min、100mm/min。對4#、5#試樣進(jìn)行激光焊接，焊接后表面成型和焊縫尺寸變化如圖5及圖6所示。

由圖5可知，以80A作為焊接電流，在不同焊接速度下，焊縫表面成型情況均較好，收弧處弧坑也較小。由表4及圖6可以看出，降低焊接速度，焊縫熔深升高，熔寬基本不變，波紋寬度降低。焊接速度降低一倍時，焊縫熔深顯著增加。

圖5 4#、5#試樣焊后表面成型Fig.5 Surface forming after welding for Sample 4#，5#

圖6 4#、5#試樣焊后焊縫截面圖Fig.6 Cross section of weld seams after welding for Sample 4#，5#

表4 不同焊接參數(shù)對應(yīng)焊縫尺寸變化Tab.4 Welding size varying with weld parameter

2.3 激光脈沖寬度變化對焊縫形貌影響

脈寬即激光脈沖的寬度，脈寬、頻率與電流三者均會影響激光的輸出能量，以1#試樣實驗參數(shù)為依據(jù)，依次增加脈寬，對6#、7#、8#試樣進(jìn)行激光焊接，焊接參數(shù)分別為 2.5ms、3ms、3.5ms。焊后金相組織如圖7及圖8所示。

圖7 6#、7#、8#試樣焊后表面成型Fig.7 Surface forming after welding for Sample 6#，7#，8#

圖8 6#、7#、8#試樣焊后焊縫截面圖Fig.8 Cross section of weld seams after welding for Sample 6#，7#，8#

由圖7可知，表面成型整體質(zhì)量均較好，無明顯缺陷，收弧處弧坑逐漸增大。上表面魚鱗狀波紋細(xì)密均勻，且隨著脈寬增加，波紋寬度增大，波紋間距減小。由圖8及表5可以看出，隨著激光脈寬的增大，焊縫熔深逐漸增加，焊縫橫截面無明顯缺陷。

表5 不同焊接參數(shù)對應(yīng)焊縫尺寸變化Tab.5 Welding size varying with weld parameter

2.4 激光頻率變化對焊縫形貌影響

頻率反映激光器在一秒內(nèi)能打出多少個脈沖的能力，以1#試樣實驗參數(shù)作為對比，只改變激光頻率，對9#、10#試樣進(jìn)行激光焊接，頻率分別為 40Hz、50Hz。焊后成型如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 9#、10#試樣焊后表面成型Fig.9 Surface forming after welding for Sample 9#，10#

由圖10及表6可知，隨著頻率增加，焊縫熔深逐漸增大，由圖9可看出，激光頻率50Hz時，表面成型較差，且焊縫橫截面出現(xiàn)較大氣孔。由圖11可知，經(jīng)過激光焊接，焊縫區(qū)域發(fā)生共晶反應(yīng)，生成細(xì)小的鋁硅共晶，組織得到細(xì)化，熱影響區(qū)成型良好，熱影響區(qū)組織細(xì)密程度介于母材和焊縫之間，且無明顯缺陷。

圖10 9#、10#試樣焊后焊縫截面圖Fig.10 Cross section of weld seams after welding for Sample 9#，10#

圖11 母材、焊縫及熱影響區(qū)(HAZ)(400X)Fig.11 Micrographs showing base metal，weld seam and heat affected zone(HAZ)(400X)

表6 不同焊接參數(shù)對應(yīng)焊縫尺寸變化Tab.6 Welding size varying with weld parameter

3 結(jié)論

(1)使用脈沖激光焊機(jī)，在合理的焊接規(guī)范下，可以實現(xiàn)1mm厚Al-27Si的良好焊接，焊后焊縫表面及橫截面均成型良好，且在所選焊接規(guī)范下，均沒有出現(xiàn)焊接裂紋;

(2)隨著焊接電流、脈寬、頻率的增加，均能夠使焊接熔深增加，提高焊接電流能夠顯著增加焊接熔深;隨著焊接速度的降低，焊接熔深逐漸增大，魚鱗狀波紋逐漸細(xì)密，焊縫表面質(zhì)量逐漸提升;

(3)在焊接電流95A、激光脈寬2ms、頻率30Hz、焊接速度200mm/min的焊接規(guī)范下，能得到完全熔透的焊縫，且表面成型較好，可作為1mm厚Al－27Si激光焊接規(guī)范的參考依據(jù)。

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