电连接器的感应钎焊工艺设计

1工件材料的影响

目前，常见的电子封装壳体、工件材料主要有钛合金、铝合金、Al-Si、Al-SiC、可伐、钢、铜等[5]，根据性能指标要求这些材料被应用在电子封装领域的不同场合，表1列出了前四种材料的主要物理特性。所以，当以这些材料制作的工件使用感应钎焊技术焊接电连接器时，根据前文所述的感应钎焊特点，这些材料的集肤效应不完全相同，其中材料的电导率、相对磁导率越小，集肤效应越弱；反之集肤效应则越显著。从表1可看出，对于非磁性金属材料，因为磁导率较小（为常数1），且与温度无关，所以集肤效应较弱，电阻热可以分布在工件较深部位，加热较均匀；而对于相对磁导率大于1的金属（如可伐），集肤效应则要明显的多。同时在感应加热过程中，大部分金属的电导率会随着温度升高而减小，而相对磁导率会因为磁滞存在而变化，且会在温度超过居里点后材料接近顺磁。所以在感应钎焊时，需要根据工件的这种温度分布特点，设置感应发生器的功率，以达到足够的有效功率，满足焊接质量需求。在感应加热时，金属会以辐射和热传导的形式对外、对内散热，由于不同金属的热导率不同，热导率越大传导热量越多越快，所以感应发生器的功率设置还必须兼顾热导率的影响，热导率小的金属，感应发生器功率设置相对增加。

2接触镀层的影响

工件和连接器表面通常都会镀一层薄薄的金属镀层，依据其不同作用可以在0.4～3.5μm之间，这些镀层主要起的是避免腐蚀和优化接触界面的作用。依据接触镀层的种类划分为两类：贵金属镀层和普通金属镀层，贵金属镀层包括金和钯及其合金材料，而普通金属镀层则包括了银、镍、锡和锡合金等。这些金属的可焊性和抗腐蚀特性不同，需要依据工程设计要求进行选择，如惰性贵金属Au，它不但具有相当优良的导电性能和导热性能，而且几乎在任何环境中，都有良好的抗腐蚀性。同时金镀层可以优化接触界面，使得原本可焊性不良的金属界面变得润湿良好。而银镀层虽然也有良好的可焊性，但有迁移和变色的缺陷，不适宜暴露在空气、湿气中使用。在感应钎焊工艺中，尤其需要关注接触镀层的可焊性和镀层质量可靠性，可焊性等级越高，则为形成质量可靠的焊点提供了基础。在感应焊接时，最基本的要求是：功率设置适当，以焊料完全熔化形成良好焊点，而接触镀层在加热时不起泡、不变色为宜。

3焊料的选取

感应钎焊连接器外观质量要求钎料填满间隙、焊缝饱满、钎缝外露的一端形成均匀圆角等，这对焊料的选择提出了要求。感应钎焊的加热周期一般比较短，长则数分钟短则几秒钟就完成整个加热过程，使得焊料熔化完全、焊剂挥发完毕，且焊料均匀分布。在工程应用中发现，当使用焊膏形式的焊剂时，由于焊膏中的有机物较多，在短时间内难以氧化挥发完毕，且挥发时会产生气泡、焊料发生飞溅，造成如图5A所示的极小的锡珠飞溅，所以认为焊膏不适合大量使用在感应钎焊工艺中。当使用焊片时，由于需要蘸取较多的助焊剂，焊接完成后可能会在缝隙中残留多余的助焊剂，且不易清洗，如图5B所示，所以认为不易润湿的焊片不适合大量使用在感应钎焊工艺中。所以在感应钎焊时，为了使焊接后外观质量检验能满足设计要求，如表面光滑、填隙饱满等，焊料的选取至关重要。而对于焊料化合物种类的选择，主要考虑到焊料熔化温度要求，符合温度梯度设计。为了在焊缝处形成均匀圆角，且防止焊料外流，还必须选取合适的润湿角和表面张力的焊料。

4焊接实例

结合上述影响感应钎焊工艺设计的因素，我们采用感应钎焊工艺，针对不同工件结构形式、不同工件材料、不同接触镀层情况下的电连接器进行了焊接，探索了具体的感应钎焊线圈设计和参数优化设置。

4.1焊接实例之一

我们对镀层为银的铝合金壳体（6061）、端面无凸台的工件上的电连接器进行了焊接，如图6A所示的结构形式。表1中给出了铝合金（6061）的集肤效应相对较小，透入深度较大，热量可以分布在工件较深部位，所以加热较均匀。针对该工件，我们采用前文所述的感应线圈设计原则，设计了与工件外形和尺寸相匹配的感应线圈，优化设置了感应器频率为450~600kHz，加热功率百分比为42%~60%，加热时间为10~20s。其焊接效果如图6B所示，最终焊接的电连接器工件焊接质量良好，镀层表面未变色、起泡，焊缝饱满、光滑、无空洞；X射线检测显示，连接器与工件装配间隙完全钎着、无气孔，焊料完全铺展；气密性指标有优于5×10-9Pa•m3/s的氦漏率。

4.2焊接实例之二

对镀层为金的可伐（4J29）壳体、端面有凸台的工件上的电连接器进行了焊接，如图7A所示的结构形式。表1中显示，可伐的集肤效应显著，透入深度较小，且热导率低，向内部传热慢，这就要求设置较高加热功率和较长时间，才能达到良好的焊接效果。根据图A的工件结构形式，我们采用前文所述的感应线圈设计原则，设计了与工件外形和尺寸相匹配的感应线圈，设置了感应发生器频率为500kHz，加热功率百分比为50%~72%，加热时间为10~25s。其焊接效果如图7B所示，同样，最终焊接的电连接器工件焊接质量良好，焊缝饱满、光滑、无空洞，镀层表面未变色、起泡；连接器与工件装配间隙完全钎着、无气孔，焊料完全铺展；气密性指标也有优于5×10-9Pa•m3/s的氦漏率。

5结论

感应钎焊技术可以实现微波电连接器的快速焊接，焊接时焊料氧化少，焊接效率高，并且可以将热量控制在工件焊接局域部位。针对感应钎焊技术的集肤效应特点，对于电连接器焊接时，影响其工艺设计的因素：工件结构形式、工件材料、接触镀层以及焊料种类进行了研究。其中，工件的结构形式决定了感应线圈的结构设计和整个焊接工艺的难易程度，我们从凸台设计和装配间隙设计两方面对电连接器安装孔进行了设计；而工件的材料由于集肤效应的作用，直接决定了感应钎焊时的功率设置；最后，对于接触镀层和焊料种类的选取，我们提出以形成焊接质量良好的焊点、焊缝，以及接触镀层在焊接后不起泡、不变色为标准进行工艺设计。以上述工艺设计为指导，感应钎焊焊接获得的电连接器都能满足相关质量要求，气密性指标优良。

作者：霍绍新 解启林 刘炳龙 单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所