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1、可伐合金外壳激光封焊的裂纹原因分析2012年1月第33卷第1期电子工艺技术ElectronicsProcessTechnology45可伐合金外壳激光封焊的裂纹原因分析雷党刚(中国电子科技集团公司第三十八研究所.合肥安徽230031)摘要:可伐(Kovar)合金作为一种功能材料,在较宽的温度范围内(一80450cC)内膨胀系数与硬玻璃的膨胀系数相近,可以保证材料的匹配封接.主要分析了可伐合金外壳采用激光封焊时焊缝处产生裂纹的原因,并就改善焊接裂纹提出了改进措施,主要措施包括焊接工艺参数的优化,焊接结构的优化设计,焊接前的清洗及热处理.关键词:可伐合金;激光封焊;结晶裂纹;热裂纹;电子封装中图分
2、类号:TN605文献标识码:A文章编号:10013474(2012)O1004505AnalysisofLaserWeldingCracksonKovarAlloyBoxLEIDang-gang(The38thResearchlnstituteofCETC,Hefei230031.China)Abstract:Theexpansioncoefficient0fKovaralloyasakindoffunctionalmateriaIISsimilartotheexpanstoncoefficientofhardglassinawidetemperaturerange(?80450oC),soK
3、ovaralloycanguaranteethematchingsealingoftheMaterials.Mainlyanalyzethereasonsforlaserweldingcracksonkovaralloybox,andputforwardthesolutionstoimproveweldingqualityfromtheoptimizationofweldingparameters,theoptimizedesignofweldingstructural,therinseandheattreatmentbeforewelding.Keywords:Kovaralloy;Lase
4、rwelding;Crystalcracks;Hotcrack;ElectronicpackagingDocumentCode:AArticlelD:1001.3474(2012)01.0045.05可伐(Kovar)合金(4J29)作为电子封装行业中最常用的金属外壳材料,具有与钼组玻璃最为接近的线膨胀系数,以及在与钼组玻璃封接(熔封)过程中产生很小的封接应力,从而获得良好的气密性】.4J29封接合金作为一种功能材料,在较宽的温度范围内(一80450)内膨胀系数与硬玻璃的膨胀系数相近,可以保证材料的匹配封接,因此被广泛地应用于相控阵雷达T/R组件,放大器,微波组件,航天继电器,电子管,晶体管和
5、集成电路中做引线和结构材料.目前采用可伐合金作为壳体材料的厂家多采用平行缝焊进行壳体的气密封装,封装成品率较高,效率也较快.但是平行缝焊对壳体结构有一定要求,盖板必须位于底座上,而且边缘基本与底座边缘齐平,只能应用于高电阻材料的矩形或者圆形等规则形状的气密封装,对于低电阻材料不适用,不能应用于不规则形状的盒体的封装,盖板较薄,焊缝较浅,无法适用于强度要求高的组件盒体的气密封装,适用范围较窄.主要优点是焊接速度快,批量自动化操作比较简单,调整参数较少,可在手套箱及惰性气体环境下进行操作,不需要抽真空,对水氧含量可以进行过程控制,焊缝可承受的温度较高.另外可以用于不规则的可伐合金盒体的气密封装的方
6、法还有激光焊接及锡焊,但都有其优缺点.激光封焊与锡焊相比优点主要有:(1)激光封焊为无接触焊接,不需要焊料焊剂,对封装盒体没有污染,不影响其性能,产品外形美观;作者简介:雷党I=J(1979一),男,硕士,毕业于西北工业大学,高级工程师,主要从事搅拌摩擦焊接,激光封焊和真空钎焊等焊接工艺研究工作.基金项目:国防基础科研项目(项目编号:b1120060474).电子工艺技术ElectronicsProcessTechnology2012年1月(2)激光封焊时功率密度高,作用时间短,热影响区小,焊接时传人盒体内部的热量极少,因而消除了封焊对内部元件及底座上的玻璃绝缘子的不利影响;(3)激光封焊产品
7、是在氮气中或者其他保护气体中进行封焊,因而消除了锡焊封壳,充氮气和封气孑L造成的污染,特别是消除了松香的污染,可大大提高产品的可靠性;(4)激光封焊产品可耐真空冷热浸和真空冷焊实验;(5)激光封焊可焊的材料熔深较深,可以承受较高的强度,而锡焊的强度较小;(6)激光封焊可以在特定保护气氛下进行焊接,对过程水氧含量可以进行控制;(7)激光焊斑小,精度高并且焊缝外形光滑,容易实现自动控制,尤其适用于大批量盒体的气密封装;(8)重复性好,焊缝质量高,容易实现气密性极高的精密封焊;(9)能在任何环境中进行焊接,不论是在真空中还是在惰性气体中都可以实现焊接,而一些新型的新材料为防止焊接时表面氧化,需要在高
8、纯氮气或惰性气体环境中进行.在我所某产品中采用可伐合金作为壳体材料,由于结构上的限制,不能采用平行缝焊进行组件的气密封装,必须采用激光焊接进行焊接.但是经过初步试验,发现采用激光焊接在氩气保护下焊接后的焊缝都存在沿焊缝纵向方向的裂纹,在高倍显微镜下发现裂纹位于焊缝的中间部位.本文主要对产生裂纹的原因进行分析,并提出了几点改进措施,以减少裂纹的产生.1裂纹原因分析热裂纹与冷裂纹的区别主要有:(1)产生的温度和时间不同热裂纹:产生在焊缝结晶过程中,始一直U723oC以前.冷裂纹:产生在焊件冷却U3oooC以下,焊后数小时.(2)产生的部位和方向不同热裂纹:多数产生在焊缝金属中,少数延伸到基本金属中
9、去,有纵向也有横向.冷裂纹:多数产生在熔合线基本金属侧,大多数为纵向,少数为横向.(3)金相结构不同热裂纹沿晶界开裂,冷裂纹贯穿晶粒内部,即穿晶开裂.(4)外观特征不同热裂纹:断面有明显的氧化色彩,发蓝黑.冷裂纹:断口发亮,为脆性断口,无氧化色彩.(5)产生的原因不同热裂纹:焊缝金属中低熔点共晶和杂质造成晶间偏析,形成液态间层.金属冷却过程中引起的拉应力使液态层间层拉开而形成裂纹;冷裂纹:淬硬组织,热影响区产生马氏体组织,塑形下降,脆性增加.氢的作用,氢在结晶过程中向热影响区扩散,在空穴出氢原子结合成氢分子,造成很大压力.焊接应力作用.根据对比,我们判断我们在焊接可伐合金壳体中出现的裂纹多为热
10、裂纹,也有少量冷裂纹存在.热裂纹一般都是焊接后直接出现的,主要原因是因为焊接时热输入过大或者应力过于集中而造成,一般是顺着焊缝表面出现,适当地降低焊接热输入或者调整焊接顺序就可以了.4J29封接合金的化学成分表见表1.它的热膨胀系数为6.2X10/(25oC500.I=),热导率为17W/(in?cI=),密度为8.1g/era.由国际焊接学会碳当量公式及冷裂纹敏感指数计算得到其碳当量Ceq=2.047%,一般认为当Ceq0.45%时,材料具有一定的冷裂倾向,焊接时应适当采取预热措施.即由结晶开经计算4J29合金对于再热裂纹不敏感.表14J29封接合金的牌号和化学成分化学成分w/%牌号ClPl
11、SlMnlSilNilc0lFe4J290.03l0.02l0.02l0.50l0.30l28.5029.50l16.8017.80I余量由热裂纹指数公式=W(C)(S)+W(P)+W(Si)/25+W(Ni)/100x10/3W(Mn)+W(cr)+W(Mo)+W(V)计算可得,热裂纹指数=6.84%(按实际母材成分计算).当热裂纹指数大于3.6%时,说明该种合金在某种焊接工艺条件下可能会产生热裂纹.根据元素分析其焊接性可知,4J29焊接时容易产生热裂纹及冷裂纹,在采用高热输入焊接参数焊接高拘束度接头时,在焊接接头中也会出现各种形式的热裂纹,因此,应从焊材选用,焊接结构设计,焊接工艺,焊后和
12、焊前热处理等方面着手避免裂纹的产生.第33卷第1期雷党刚:可伐合金外壳激光封焊的裂纹原因分析47Kovarf/料熔点为1460,铁镍合金4J42熔点也高达1440oC,根据组件的外观要求,一般对可伐合金盒体及盖板表面进行镀镍,镀金或镀镍合金的工艺,纯镍的熔点为1453oC,纯金的熔点为1063.焊接热源对工件的热作用具有局部性和时变性,其作用结果是在被焊工件上形成了不均匀的温度场,温度分布的这种不均匀性是引起焊接残余应力和变形的根源.在焊接热源作用下,焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热,并局部熔化,焊接区材料受热而膨胀,热膨胀受到周围较冷区域的约束,产生(弹性)热应力,受热区温度升高后屈服
13、极限下降,热应力可部分地达到该屈服极限,这样焊接区材料在加热阶段可被塑形压缩.冷却阶段相反,产生压缩塑性变形区域的高温金属冷却收缩受到周围较冷金属的限制,因不能同步收缩而受到塑性拉伸,但是拉伸塑性应变不足以抵消加热阶段产生的挤压塑性应变,最终导致构件中产生残余应力和残余变形;焊接热裂纹是冶金因素和力学因素综合作用引起的,以凝固(结晶)裂纹为例,在焊缝金属结晶时的固一液共存阶段产生的液态薄膜是产生热裂纹的内因,此处焊缝金属的延性很低,处于脆性温度区,由于快速冷却和周围较冷金属的拘束作用而产生较大的拉伸塑性应变,如果金属的高温”塑性储备”不足,则会产生焊接热裂纹(凝固裂纹).Ni与Fe,cu在高温
14、下可以相互无限溶解,Ni及镍合金绝大多数为奥氏体,其焊接性与奥氏体不锈钢相似,容易产生热裂纹和气孔.可伐合金焊接一般不会产生冷裂纹,容易产生热裂纹和液化裂纹.Ni与S,P,N和0等都能形成低熔点共晶,Ni及镍合金焊缝金属凝固时常形成粗大的树枝状奥氏体结晶,低熔点杂质更易集中于晶界,在晶粒凝固收缩应力和焊接应力的作用下,未完全凝固的晶界低熔点物质很容易被拉裂形成热裂纹.当焊接热输入过大时,由于输入热量大,焊缝热影响区晶界上的低熔点共晶就会熔化而形成液化裂纹.因此,焊接可伐合金时应选用比较小的热输入.可伐合金壳体的结构图如图1和图2所示.图1盖板结构设计图图2可伐合金壳体示意图2改善焊接裂纹的措施
15、经过分析,改善可伐合金激光封焊产生的焊缝裂纹的主要措施有以下几点:(1)激光焊接工艺参数的改进;(2)焊接结构拘束度的改进;(3)焊接前的清洗及热处理.2.1激光焊接工艺参数的改进激光焊接按其热力学机制不同可分为激光热传导焊接和激光深穿透焊接.一般当激光功率密度不高于10.W/cm时,激光焊接属于热传导焊接,可伐合金盖板熔深一般小于0.5mm,属于热传导焊接.这时光能量只被材料表层吸收,不产生非线性效应或小孑L效应,光的穿透深度为:Z=-ln(I/Io)/A(1)式中:z为光辐射的穿透深度;A为材料对激光的吸收系数,对于大多数金属为(1010)/cm;Io和,分别为材料表面和入射至焊缝处的光强
16、.由式(1)可见,对于金属材料,当光辐射穿透深度达微米量级后,光强已趋近于0,材料内部的加热是通过热传导方式进行的,一旦材料表面温度达到熔点即开始熔化,只要表面温度不超过沸点,熔化波前将向材料内部稳定传播.当材料表面由熔点达到沸点时,材料达到最大熔深:Zm=1.2KIqo(0一)(2)式中:为热传导率;q.为功率密度;0为材料的沸点温度;0为材料的熔点温度.最大熔深z反比于功率密度,正比于热传导聋苤,并随材料沸点与熔点温差增大而增大.根据热传导方程分析,在一定脉宽条件下,具有恒定强度的表面热源作用下,表面达到材料熔点的功率密度q为:g1=0.8860/(r)”(3)式中:为热扩散率;r为激光脉
17、冲宽度.表面达到材料沸点的功率密度q,为:q2=0.8860v(r)”(4)r取不同的值,求得不Mq之值,则可获得最电子工艺技术ElectronicsProcessTechnology2012年1月大熔深与的关系为:=(rr,)(5)可见,若需要较大熔深,脉宽应越长,且熔深的增加随脉宽的1/2次方增加.q,和q都随材料的熔点,沸点温度,热传导率增加而增加,但是随热扩散率和脉宽增加而减小.据此,为了减少可伐合金激光焊接时产生的热裂纹,应该减少热输入量,通过减少脉宽和增加频率或者提高焊接速度来减少热输入量.但是必须保证激光功率达到最低要求,激光功率是最主要的参数,保证了激光功率,才谈的上其它参数的
18、作用.为了保证可伐合金壳体的气密性要求,设计的最大熔深大约在0.2mm,而可伐合金表面达到材料沸点的功率密度2为2.34104W/cm,壳体的外壳壁厚1.0mm,盖板厚度0.4mm,配合间隙宽度在0.1mm以内,取光斑直径1.0mm,可以完全覆盖焊接表面.根据功率密度叮和光斑直径可以求得焊接所需激光功率大于180W.功率密度太小焊不上,大了容易氧化形成裂纹和塌陷.为保证熔深,需严格控制激光功率密度,使金属表面温度维持在沸点附近,不致于形成强大的蒸汽压力,避免产生陷坑和金属飞溅.对于热传导型焊接,单独增加脉宽,只会使焊缝变宽和过熔,引起焊缝附近的金属氧化,变色甚至变形.因此,脉宽也不能太大,通过
19、实验,取脉宽1.5ms可获得较好的熔深要求和焊缝宽度.在电流不变的情况下,激光器的输出能量随脉宽的增加而增加.输出能量与脉宽的大小是线性关系.电流对焊斑宽度的影响比脉宽对焊斑的影响效果更加显着.也就是说,当需焊接面的间隙比较大或局部表面存在缺口时,增加电流值更容易得到较大的焊斑宽度.电流的增加对焊斑深度的影响很小,而脉宽对焊斑深度的影响比较大,为了得到较高的焊接速度,增加脉宽是最有效的方法.离焦量在正离焦状态下的焊斑比负离焦状态下的宽度小,需要较大熔深时选用负离焦,而焊接薄壁件时应选用正离焦.焊点重叠率公式如下所示:QI一()/(D+vr)X100Q为焊点重叠率;tr为脉宽;D焊斑大小;,为焊
20、接频率;为焊接速度.通过公式可知重叠度与焊接速度成反比,与脉宽,焊斑大小及焊接频率成正比.重叠度对焊接深度的影响是显着的,重叠度高的焊缝比单点焊接的深度要深.2.2焊接结构拘束度的改进通过改变激光焊接壳体的焊接接头结构,也可减少焊接裂纹的产生,实验中采用对接和搭接结构同时存在的焊接接头,在焊接的加热过程中,焊缝在平面方向上受外壳台阶的挤压,而不能自由膨胀,在收缩过程中不受约束,这样膨胀和收缩的量不同,造成焊缝中产生的应力较大,容易产生裂纹.通过改变焊接结构,将焊接接头设计成搭接焊缝,盖板背面设置台阶面,将盖板扣在底座壳体上,进行激光焊接,激光沿搭接面进行焊接,盖板在平面方向自由收缩,不受任何约
21、束,这样,产生的应力较小,可以减少裂纹的产生.焊接过程中可以在正式开始前在焊缝的四周分段进行激光焊接,增加盖板的刚性连接,当正式焊接时,预先的刚性连接可以控制焊缝膨胀收缩过程中产生的应力,增强材料的刚性连接,也可以减少盖板的变形.2-3焊接前的清洗及热处理可伐合金一般表面需要镀镍或镀金处理,焊接面有镍或金对激光焊接的影响比较大.一般来说,没有镍或金比有镍或金更容易得到较高的气密性,因为金元素相对于其他几种可伐合金中的元素熔点较低,容易在焊接时产生低熔点共晶,产生结晶裂纹.采用可伐合金棒料加工零件时,尽量对棒料进行镦粗处理,从而改变其纤维组织走向,使其更致密.零件加工后进行真空退火,使其晶粒细化
22、和去应力.可伐合金外壳在封接前的退火目的主要在于:(1)消除机械加工应力.可伐在冷加工发生塑性形变时,其中约有施加能量的10%15%转化为内能,即通常所说的内应力,从而使可伐材料组织处于一种不稳定的状态中.在室温下,这种状态能维持相当长的时间而不致发生明显的变化.若一旦对它加热,将发生一系列的组织和性能的变化,使其材料组织趋向一种稳定的状态,这种组织和性能的变化,特别是组织结构的变化反映在封接面上,就是高温封接中对钼组玻璃的拉应力,可能会导致玻璃产生微小裂纹而漏气.(2)消除加工硬化.可伐零件在冷加工制造成型的过程中,由于内部的材料组织发生晶粒拉长和晶粒破碎等缺陷,使晶体缺陷大量增加,位错密度
23、增大.位错与位错之间的距离越小,彼此之间的干扰越大,其周围的晶格发生的畸变就越大,每个位错线都存在一个应力场,位错与位错通过各自的应力场相互作用,使可伐的硬度和弹性增加,而塑形下降,也就是加工硬化.加工硬化若不消除,在高第33卷第1期雷党刚:可伐合金外壳激光封焊的裂纹原因分析49温封接时,位错与位错之间相互作用的应力场将会因晶体的恢复或再结晶而被打破,失去平衡,这也对金属与玻璃的封接有一定的应力影响.(3)使材料组织均匀,细化,稳定和一致.(4)金属表面脱碳.碳作为一种还原物质,具有强烈的还原性,在高温下会夺氧生成CO,因而会在金属与玻璃的封接面或玻璃中产生气泡,不仅降低了金属与玻璃的封接强度
24、,也严重地影响了玻璃的性能,这在封接工艺中是绝不允许的.(5)去除内部吸附气体.除此之外,为了避免焊接裂纹的出现也需要考虑焊接时组件的热耗散跟结构的关系,最好四周散热条件一致,要考虑焊接时四边的连接器及绝缘子插针的散热情况不同,根据所连接的散热热耗体合理选择焊接起始点和焊接工艺参数.如果操作方便的话也可以考虑采用激光焊丝,在焊接过程中不断地添加焊丝的方法进行组件的操作,不过焊接过程就比较复杂,对送丝机构的稳定性以及各项工艺参数的配合优化需要进行不断的摸索试验,找出优化的工艺参数以减少焊接裂纹.3结论采用激光封焊可伐合金壳体,需要严格控制激光焊接工艺参数,合理设置激光焊接时的焊接电流,脉宽,脉冲
25、频率和焊接速度,控制焊接时的热输入量,减少焊接时焊缝裂纹的产生.参考文献:1刘静,李丰.金属外壳封接中的可伐合金退火lJJ.半导体光电,2005,26(2):121123.2姚立华,吴礼群,蔡昱,等.采用金锡合金的气密性封装工艺研究【J.电子工艺技术,2010,31(5):267270.【3】刘远志,卢肖.Cu镀Au腔体气密性封装工艺研究【J.电子工艺技术,2011,32(5):297299.4王香云.12CrlMoVG钢焊接接头热裂纹原因分析及对策J】_焊管,2010,33(4):1317.收稿日期:2011-1029(上接第13页)系数,结合回流焊设备对大尺寸PCB组件加热的实际物理过程,
26、建立了再流焊加热过程的传热数学模型.这样很好地解决了无铅钎料回流焊两种边界条件分析和仿真困难的问题.(2)对比焊料附近不同位置4个节点的温度曲线,可以看出同一时刻不同节点的温度不同,这是由于这4个节点位置的不同,进入炉区的先后次序不同,所以导致同一时刻先进入炉区的点,其温度高于后进人炉区的点.(3)用ANSYS软件模拟了两种炉温设置两种传送带速度,四种情况下的PCB组件的动态温度场,获得了再流焊加载温度曲线,比较四种情况的分析结果,最终确定高炉温设置低传送速度为最佳方案,即炉区长度650mm,传送带速度为650mm/min,炉温设置为高温区设置,这样获得了接近实际的回流焊温度曲线.参考文献:1
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