镀锡铜片电阻点焊工艺及设备研究

发布时间：2020-07-11 02:10

【摘要】：随着电力电子产品集成度增高、特征尺寸减小,频率提高,电子元器件的热失效和热退化现象更加突出,散热问题已经成为制约电力电子器件发展的主要问题。虽然铜由于其优良的散热性能在电子器件的散热方面具有广泛的应用,但是关于对微小电子器件的散热装置尤其是多层镂空内部具有复杂流道的微小有源冷却装置的技术研究,国内目前还处在瓶颈阶段。如果能够通过焊接铜材实现其在微小电子器件方面的散热应用,就可以打破国外对中国的技术封锁,实现可观的经济效益。电阻点焊因其加热时间短、产热集中、生产效率高等特点,在焊接小而薄的铜材方面具有突出的优势,对其进行深入研究并进行工艺参数优化对推动铜材在微小电子产品散热方面的应用具有重要意义。鉴于铜-铜焊接比较困难,本文提出在铜片上加入镀锡层以提高其焊接性。本文围绕镀锡铜电阻点焊工艺,研究设计了电阻点焊实验设备,主要包括焊接电极和电极夹具设计,焊接电源和加压机构选型。提出了通过测量内侧焊点直径代替直接测量熔核直径的方法,分析了实验过程中出现的焊接缺陷,发现了文献中未曾提及的焊点缺陷“凸起”,并对其进行了相关分析。结果表明,“凸起”产生的原因可能是由于电极与工件之间的接触电阻不均,电极出现损伤,焊点比较小,热量集中且不易散去等造成的。在相同的焊接工艺参数下,对纯铜片和镀锡铜片进行电阻点焊实验,对焊点的表面形貌及拉剪力进行对比。实验表明,纯铜焊点在拉剪过程中的断裂形式全部是界面断裂,力学性能不满足焊接要求;镀锡铜焊点在表面形貌和拉剪力方面均远优于纯铜焊点。分别以预热电流、焊接电流、预热时间、焊接时间、电极压力和保压时间作为研究因素,以焊点的表面形貌、熔核直径和拉剪力作为焊点质量的参考指标,研究各影响因素对镀锡铜片焊点质量的影响规律。实验表明:除了焊接电流、焊接时间和电极压力对镀锡铜片的焊点质量有影响之外,预热电流、预热时间和保压时间对镀锡铜片的焊点质量也有显著的影响。采用正交实验设计的方法对镀锡铜焊点的焊接参数进行优化,选用L_(25)(5~6)正交表进行正交实验,得出最优实验参数组合以及各因素对焊点质量影响的程度。实验结果表明,各因素对熔核直径的影响程度为:焊接电流焊接时间预热时间保压时间预热电流电极压力;各因素对拉剪力的影响程度为:焊接电流焊接时间保压时间电极压力预热时间预热电流。得到的最佳工艺参数为:预热电流为1000A,焊接电流为2200A,预热时间为14ms,焊接时间为10ms,电极压力为8kgf,保压时间为50ms,优化后的参数下能够获得形貌成型良好,强度较高的焊点,焊点的拉剪力可达到319.413N。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9
【图文】：

大功率半导体激光器,热沉

电子设备集成度的提高使器件的特征尺寸不断减小，频率不断提高，导致电力电子备单位面积的发热功率不断提高，元器件的热失效和热退化现象更加突出[2]。因此，热问题成为制约电力电子器件尤其是微小电子器件发展的主要问题。纯铜因其呈紫红色，故又称紫铜。铜，作为一种最古老的金属，由于具有良好的电导热性，在常温和低温下具有良好的塑性，以及对大气、海水等具有耐腐蚀性，在子电气、机械化工和动力交通等工业部门得到了广泛的应用[3]，尤其是在电力电子器的散热方面。当前，纯铜散热片因其散热性能强、加工性能好已被广泛推广应用在发机、电脑 CPU、高档音响、大功率激光器等设备上作为散热装置[4]，如图 1-1 为大率半导体激光器热沉，图 1-2 为电脑 CPU 散热器，都是铜在散热方面的具体应用。些微小电子器件的散热装置通常体积较小，有些甚至具有多层结构并且内部设有微道，这种类型的散热装置在制造过程中通常不能完全使用整材，很多情况下为了发出最佳性能，需要将不同材料不同部位进行组合使用。有时候受加工环境和使用条的约束，必须采用焊接方式来实现其工业应用[5]。。但纯铜在焊接的过程中，由于热

CPU散热器,电脑

搅拌摩擦焊,焊缝外观,紫铜,焊接参数

第一章绪论1.2 铜焊接研究现状关于铜的焊接研究，目前用的比较多得是搅拌摩擦焊、钨极氩弧焊以及激光焊接等方法。铜焊接过程中，最重要的是预热和保温，并且采用较快的焊接速度，防止晶粒长得过大[16]。兰州理工大学的王希靖，达朝炳等[17]在研究厚度为 4mm 的紫铜搅拌摩擦焊焊接工艺时，发现当搅拌头的旋转速度 n 在 400~700r/min 的范围内变化，焊接速度 v 在35~60mm/min 的范围内变化，压入深度范围为 0.1~0.2 时，得到的搅拌摩擦焊接头组织致密、没有孔洞，其接头平均抗拉强度可达到母材的 80%。如图 1-3 所示，是在不同焊接参数下的紫铜搅拌摩擦焊的焊缝外观图。

【参考文献】