Технологические решения вакуумной пайки для фиолетовой и медной меди Аннотация 

Технологические решения вакуумной пайки для фиолетовой и медной меди

Аннотация

Фиолетовая медь широко используется в электронике, холодильной технике и автомобилестроении благодаря своей превосходной электро- и теплопроводности и коррозионной стойкости. Вакуумная пайка, как технология соединения без окисления и с высокой степенью очистки, особенно подходит для точной пайки фиолетовой меди. В данной работе систематически изучается процесс вакуумной пайки фиолетовой меди (включая оксигенированную и бескислородную медь) и предлагаются технологические схемы пайки серебро-медной эвтектики (AgCu28), аморфного медно-фосфорного припоя (Cu-Ni-Sn-P) и серебро-медно-фосфорного припоя для оптимизации степени вакуума, скорости нагрева, выбора охлаждающего газа и конструкции приспособления для обеспечения монтажного зазора ≤ 0,02 мм. Результаты эксперимента показывают, что оптимизированный процесс может значительно повысить точность пайки. Экспериментальные результаты показывают, что оптимизированный процесс может значительно улучшить прочность на сдвиг и смачиваемость соединений, что подходит для высокоточных сценариев применения.

1. Введение

Медь (чистая медь) играет важную роль в кабелях, теплоотводах и вакуумных устройствах благодаря своей высокой электропроводности (близкой к 100% IACS), теплопроводности и пластичности. Вакуумная пайка особенно подходит для соединений фиолетовой меди, поскольку позволяет избежать окисления в условиях высокого вакуума и не требует применения флюсов. В данном исследовании разработаны подходящие материалы для пайки и параметры процесса с учетом характеристик фиолетовой меди, а также специальные приспособления, отвечающие требованиям высокой точности и надежности.

2. Характеристики основного материала

2.1 Аэробная медь
Состав: содержание меди ≥99,5%, содержание кислорода 0,06%-0,1% (например, T2).
Характеристики: хорошая электрическая и тепловая проводимость, но высокое содержание кислорода, легко подвергается водородному охрупчиванию в водородсодержащей атмосфере; пайка после размягчения очевидна.
Марка: T1 (≥99,95%), T2 (≥99,90%), T3 (≥99,70%).
Применение: чувствительные к стоимости сценарии, такие как кабели, трубы, радиаторы и т.д.
2.2 Бескислородная медь
Состав: содержание меди ≥99,99%, содержание кислорода ≤0,003% (например, TU1).
Характеристики: сильная устойчивость к водородному охрупчиванию, более высокая электропроводность, подходит для высоких требований к чистоте.
Класс: TU0, TU1, TU2.
Применение: вакуумная среда, высокочастотная электроника, прецизионная обработка.

3. Выбор материала для пайки и параметры процесса

3.1 Эвтектический материал для пайки серебро-медь (AgCu28)

Параметры процесса:
Температура 810-850 ℃, время выдержки 5 минут, степень вакуума 10-⁴ Па, скорость нагрева 5-10 ℃ / мин.
Оптимальная температура: 810-850 ℃, время выдержки 5 минут.
Характеристики: прочность на сдвиг: максимум 240 МПа, прочность снижается при температуре выше 850℃. Соединение состоит из твердого раствора на основе меди и эвтектической организации.
Организация: твердый раствор на основе меди + эвтектика серебро-медь, разрушение в основном на стыке.
Преимущество: вакуумная пайка для предотвращения окисления и уменьшения дефектов.
Особенности: высокая прочность, но узкое температурное окно (820-950 ℃).
Охлаждение: аргон ниже 600 ℃, скорость охлаждения 8-15 ℃ / мин.

3.2 Аморфный медно-фосфорный паяльный материал (Cu-Ni-Sn-P)

Аморфный паяльный материал – это новый тип сварочного материала, который изготавливается из жидкого металла путем быстрого холодного затвердевания.
Аморфные материалы для пайки обладают следующими характеристиками:
(1) Однородный химический состав, низкое содержание примесей и газов, высокая чистота. Компоненты паяльного материала не разделяются, что позволяет значительно повысить прочность паяного соединения.
(2) Не содержит связующего, скорость нагрева при пайке не ограничена, паяный шов металла без шлака, паяные соединения высокого качества.
(3) Материал для пайки может быть пробит и разрезан на различные формы в соответствии со структурой заготовки, так что дозировка материала для пайки может контролироваться, а диффузия жидкого материала для пайки может быть подавлена.
(4) Поскольку аморфный паяльный материал обычно предварительно укладывается в паяльный зазор, он обеспечивает удобство и надежность паяных соединений большой площади.
5) В отличие от ленточных паяльных материалов, они не зависят от времени и условий хранения.
Смачиваемость аморфного паяльного материала лучше, чем у кристаллического паяльного материала и ленточного паяльного материала. Аморфный паяльный материал из-за состава очень однороден, при нагревании до линии жидкой фазы происходит почти одновременное однородное плавление и распространение; в то время как кристаллический паяльный материал имеет большое явление осаждения плавления, из-за температуры плавления фаз различных при нагревании до линии жидкой фазы, сначала происходит плавление фазы с низкой температурой плавления и распространение, а затем высокая температура плавления части распространения медленной кучи вверх, что приводит к явлению расслоения. Во-вторых, в аморфном припое содержание примесей и газов очень низкое, в то время как содержание кристаллического припоя выше, особенно содержание кислорода и азота в десятки раз выше. Поэтому поверхность плавления аморфного паяльного материала очень чистая, в то время как на поверхности плавления кристаллического паяльного материала имеется явный черный и серый шлак. Он анализируется как оксиды металлов.

Параметры процесса:

Оптимальная температура: 680°C, время выдержки 20 мин. вакуум 10-³ Па, скорость повышения температуры 8-12°C/мин.
Смачиваемость: площадь растекания до 270 мм², низкая температура плавления, уменьшена хрупкость фазы Cu₃P, повышена пластичность.
Характеристики: Отличная смачиваемость, сильная диффузия элементов, плотное межфазное соединение. Подходит для точной сварки.
Охлаждение: 600 ℃ ниже через азот, скорость охлаждения 15 ℃ / мин.
3.3 серебро-медь-фосфор пайки материала: (например, BCuP-5, BCuP-8)
Параметры процесса: температура 700 ℃, время выдержки 10 минут, вакуум 10-⁴ Па, скорость повышения температуры 10-15 ℃ / мин.
Свойства: хорошая текучесть, низкая температура плавления. Сильные самофлюсующиеся свойства, оптимизированные свойства при растяжении.
Применение: HVAC/R, автомобильные топливопроводы, вакуумные выключатели.
Охлаждение: ниже 500℃ через аргон, скорость охлаждения 12℃/мин.

4. Оптимизация процесса

4.1 Контроль вакуума
Диапазон: от 10-³ Па до 10-⁵ Па.
Функция: уменьшение окисления и пористости, обеспечение чистоты соединения.
Предложение: 10-⁴ Па для оксидированной меди, до 10-⁵ Па для бескислородной меди.
4.2 Регулирование скорости нарастания температуры
Сегменты: комнатная температура до 400℃ (10℃/мин), 400℃ до температуры пайки (5-8℃/мин).
Роль: баланс эффективности и смягчения контроля, чтобы избежать грубого зерна.
4.3 Выбор охлаждающего газа
Аргон: для бескислородной меди, чистота ≥ 99,99%, скорость охлаждения 20-30 ℃ / мин.
Азот: для кислородной меди, низкая стоимость, скорость охлаждения 15-25 ℃ / мин.
Сроки: пайки материал затвердевания (<600 ℃) через давление 0,2-0,3 бар.
4.4 Сборка зазор управления
Диапазон: 0,005-0,02 мм.
Метод: Отделочные детали (допуск ±0,005 мм), закрепленные с помощью фиксирующих штифтов и зажимов.
Функция: Повышение скорости заполнения материала припоя и прочности соединения.

5. детали сборки детали доработки (монтажный зазор ≤ 0,02 мм)

Монтажный зазор является ключевым фактором, влияющим на заполнение паяльного материала, смачиваемость и прочность соединения при вакуумной пайке. При вакуумной пайке меди слишком большой или слишком маленький зазор приведет к дефектам, особенно при высокоточных требованиях, контроль на уровне ≤ 0,02 мм требует особого внимания.

Контрольные точки

Идеальный диапазон зазоров: 0,005-0,02 мм.
Менее 0,005 мм: затруднено поступление паяльного материала и легко образуются дефекты.
Более 0,02 мм: переполнение паяльного материала, что может привести к пористости, потере прочности или широкому паяному шву.

Метод сборки:

Посадка с вмешательством: контроль зазора достигается холодным прессованием или микроинтерференцией (0,002-0,005 мм), но следует избегать чрезмерного напряжения.
Позиционирование сборки: используйте прецизионные позиционирующие штифты или приспособления для обеспечения равномерного зазора.
Обработка поверхности: поверхность пайки деталей должна быть отполирована или отшлифована (шероховатость Ra ≤ 0,8 мкм), чтобы удалить заусенцы и слой окисления, обеспечить плотное прилегание.
Измерение зазора:
Используйте линейку с пробкой (точность 0,001 мм) или оптический микроскоп для проверки зазора при сборке.
Испытание образцов после сборки, чтобы убедиться, что зазор каждого соединения соответствует требованиям.

Анализ влияния

Характеристики меди: пластичность меди хорошая, но легко размягчается при высокой температуре, монтажный зазор слишком мал может быть из-за теплового расширения и деформации экструзии, слишком большой будет влиять на капиллярный эффект.
Характеристики паяльного материала:
серебряно-медный эвтектический паяльный материал (AgCu28): ликвидность средняя, зазор 0,01-0,02 мм при наилучшем смачивании.
Аморфный медно-фосфорный припойный материал: лучшая текучесть, подходит для зазора 0,005-0,015 мм.
Серебристый медно-фосфорный припойный материал: самотекучий флюс, зазор 0,01-0,02 мм для обеспечения равномерного заполнения.
Характеристики соединения: когда зазор составляет ≤0,02 мм, паяный шов получается плотным, а прочность на сдвиг повышается примерно на 10-15% (например, AgCu28 может достигать более 240 МПа).