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&&&&& 利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适合于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别适用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的焊接。
方法和应用
&&&&& 感应钎焊时，零件的钎焊部分被置于交变磁场中，这部分母材的加热是通过它在交变磁场中产生的感应电流的电阻热来实现的。导体内感应电流强度与交流电的频率成正比，随着所用的交流电的频率的提高，感应电流增大，焊件的加热速度变快。基于这一点感应加热大多数使用高频交流电。但频率越高，电流渗透深度越小，虽然使表层迅速加热，但加热的厚度却越薄，零件的内部只能靠表面层向内部的导热来加热，这就是所谓的集肤效应。由此可见，选用过高的交流电频率并不是有利的，一般500kHz左右的频率是比较适宜的。此外，集肤效应还与材料的电阻系数和磁导率有关，电阻系数越大，磁导率越小，集肤效应越弱，反之集肤效应越显著。感应圈是感应钎焊设备的重要器件。正确设计和选用感应圈的基本原则是：保证焊年加热迅速、均匀及效率高。通常感应圈均用纯铜管制成，工作时管内通水冷却，管壁厚度应小于电流渗透深度，一般为1~1.5mm。感应圈与焊件之间应保持间隙以免短路，但为了提高加热效率，应尽量减少感应圈匝间及与焊件的间隙。感应钎焊时往往需要一些辅助工具来夹持和定位焊件，在设计夹具时应注意的是，与感应圈邻近的夹具零件不应使用金属，以免被感应加热。感应钎焊时，可使用箔状、丝状、粉状和膏状钎料，安置的钎料不宜形成封闭环，可采用钎剂和气体介质去膜。感应钎焊广泛用于钎焊钢、铜和铜合金，不锈钢、高温合金等的具有对称形状的焊件，特别适用于管件套接，管和法兰、轴和轴套3类的接头；对于铝合金的硬钎焊，由于温度不易控制，不宜使用这种方法
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&#165&10.9元钎焊超硬磨料工具的研究进展_磨料_百科问答
钎焊超硬磨料工具的研究进展
钎焊超硬磨料工具的研究进展
提问者:朱品珍
1概述　　由金刚石和立方氮化硼（CBN）制作的超硬磨料工具被广泛应用于各类金属材料的磨削加工，石材、陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的加工，以及公路养护、地质采矿、油气钻探等众多工程领域，市场需求量很大。目前生产中使用的超硬磨料工具一般是利用多层烧结或单层电镀工艺来制作，磨粒只是被机械地包埋、镶嵌在结合层中，把持力不大，在负荷较重的加工中容易因把持力不足而导致磨料过早脱落，造成浪费。另一方面，在烧结和电镀工具中磨料为随机分布，磨粒的出露高度不大，容屑空间较小，在磨削加工时容易产生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用寿命。　　由于多层烧结和单层电镀磨料工具存在上述缺陷和弊端，使其在高效磨削和高速/超高速磨削中的应用受到较大限制。为此，近十几年来国内外许多学者开始研究采用钎焊工艺来制作单层超硬磨料工具，其出发点是希望借助高温钎焊时在磨料、钎料和基体界面上发生的熔解、浸润、扩散、化合等相互作用（即通常所说的化学冶金作用），从根本上改善基体和钎料合金对磨料的把持强度。图1所示为钎焊金刚石单颗磨粒与结合剂界面的微观形貌。可以看出，钎料对金刚石磨粒表现出很好的浸润性，结合紧密，无间隙和沟槽存在。金刚石磨粒晶粒完整，表面无裂纹，出露高度大。与传统的多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，钎焊超硬磨料工具具有以下特点：①磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长；②磨粒的出露高度大（可达磨粒高度的70%～80%），容屑空间大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；③磨削力、功率消耗和磨削温度更低；④具有环保意义，符合当今倡导的绿色制造发展趋势。　　钎焊超硬磨料工具因具有独特的优越性而成为当今超硬磨料工具研究的一个热点。本文从钎焊的钎料、工艺及方法等方面概述了国内外钎焊超硬磨料工具的研究现状和研究成果，分析了不同的钎料、工艺及方法对磨粒结合强度和界面微观结构的影响。在此基础上，讨论了磨粒的优化排布问题以及在单层钎焊超硬磨料工具表面实现磨粒有序排布的方法。　　2钎焊金刚石工具的研究现状　　金刚石与一般的金属、合金之间有很高的界面能，其表面不易被熔化的金属或合金所浸润。根据理论分析及文献报道，在一定的条件下，某些过渡族元素如Ti、V、Cr、Zr、Mo、W等，在一定条件下可与金刚石的碳元素在表面形成碳化物，而通过这层碳化物的作用，金刚石、钎料和钢基体三者就能通过钎焊实现牢固的冶金结合，这就是金刚石高温钎焊的原理。金刚石钎焊的质量在很大程度上取决于所使用的钎料、钎焊工艺及方法。因此，提高对金刚石磨粒把持力的关键就是寻求与之相适应的活性钎料、钎焊方法和钎焊工艺。　　2.1镍基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法　　瑞士的AKChattopadhyay采用的钎焊工艺为：先用火焰喷镀法（氧－乙炔焊枪）将钎料合金（主要成分为72%Ni、14.4%Cr、3.5%Fe、3.5%Si、3.35%B和0.5%O2）镀于工具钢基体上，并将金刚石排布于焊料层面上，然后在1080℃、氩气保护下高频感应钎焊30秒实现金刚石与钢基体的结合。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素，在钎焊过程中向金刚石表面富集而实现金刚石的表面金属化。　　德国的ATrenker等采用真空炉中钎焊的方法，在高温钎焊过程中分别采用了活性钎料和镍基钎料来实现金刚石与基体的结合。在加工玻璃的实验中，与电镀金刚石工具相比，高温钎焊金刚石工具的性能更为优异，钎焊工具的起始磨削性能是电镀工具的3.5倍以上，寿命是电镀工具的3倍以上。　　南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊方法，用Ni-Cr合金钎料真空感应钎焊30秒，钎焊温度1050℃，将金刚石牢固地钎焊在钢基体上。经X射线衍射分析发现，合金钎料与金刚石在界面生成Cr7C3和Cr23C7，因此这种钎焊工艺可以确保合金钎料层与金刚石之间的高强度结合。在后续的大负荷磨削实验中，未发生金刚石整颗脱落，说明钎料对金刚石具有较高的把持强度。姚正军等利用Ar气保护炉中钎焊的方法，以Ni-Cr合金粉末作为钎料，控制钎焊温度1050℃、保温时间6min和冷却速度30℃/min，实现了金刚石与钢基体的牢固连接。利用扫描电镜和X射线能谱，结合X射线衍射结构分析，发现钎焊过程中Ni-Cr合金中的Cr元素分离出来在金刚石界面形成富Cr层，并与金刚石表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，这是实现合金层与金刚石的较高结合强度的主要因素。重负荷磨削实验表明，金刚石为正常磨损，无整颗金刚石脱落，能够适用于高效磨削加工。卢金斌等利用真空炉中钎焊的方法，以Ni-Cr合金作为钎料，金刚石直接排布在Ni-Cr合金上，适当控制钎焊工艺，实现了金刚石与钢基体之间的牢固连接。通过对金刚石与钎料界面微观结构的分析，发现钎焊过程中钎料会在金刚石界面形成富Cr层并与金刚石表面的C元素反应生成Cr3C2和Cr7C3，其中Cr7C3呈笋状生长，Cr3C2呈片状生长。最后通过磨削对比实验验证了金刚石与钎料有较高结合强度。马伯江等利用高频感应钎焊的方法，在相同的钎焊工艺条件下，采用两种不同成分的Ni-Cr钎料钎焊镀Ti金刚石和无镀膜金刚石。试验使用了两种镍基活性钎料，两者相差4%Cr（质量分数），在Ar气保护下进行高频感应钎焊，钎焊温度小于1100℃，保温数秒。结果表明，钎料成分不同、金刚石镀Ti与否，使金刚石表面生成的碳化物成分和形态各异，影响了它们与金刚石结合强度的高低。在此基础上，分别采用真空炉中钎焊和氩气保护下的高频感应钎焊工艺制作了单层钎焊金刚石工具。结果表明，这两种工艺制作出来的工具都可在金刚石－钎料界面上生成对提高金刚石把持力起关键作用的碳化物，但其界面结构存在差异。在电阻炉中钎焊条件下，生成物有两层结构，内层产物是Cr3C2，外层产物是Cr7C3；在高频钎焊条件下，仅有单层产物Cr3C2。　　第四军医大学的马楚凡等利用真空炉中钎焊的方法，以NiCr13P9合金作为钎料，同时加入少量Cr粉，在高温（950℃）加压及真空度为0.2Pa的条件下进行钎焊，实现了金刚石与钢基体间的牢固结合，研制出用于牙科CERECCAD/CAM系统的专用单层钎焊金刚石砂轮。扫描电镜观察显示，银白色的合金包绕在金刚石周界，钎料在金刚石磨粒间分布均匀，金刚石已被牢固钎焊，金刚石出刃高度大。X射线衍射分析能观察到Cr3C2衍射峰，表明有Cr3C2生成。正是通过金刚石界面上的碳化物层，合金材料实现了对金刚石的高把持力。磨削实验证实了金刚石确有高把持强度，钎焊金刚石砂轮的耐用度及磨削效率较普通电镀砂轮明显提高。　　华侨大学的黄辉等利用高频感应钎焊的方法，以Ni-Cr合金为钎料，尝试在空气中直接进行金刚石磨粒的钎焊。通过适当控制钎焊电流和钎焊时间，实现了金刚石与钢基体的牢固焊接。磨削实验表明，采用该方法制造的金刚石工具在金刚石磨粒与基体之间有着较高结合强度，金刚石磨粒在整个加工过程中未出现脱落，金刚石磨粒的磨损过程为正常磨损。另外，还尝试在自制真空炉中利用高频感应钎焊金刚石节块。通过调整加热时间与加热功率来控制钎料加热温度，实现金刚石与基体的牢固连接，并制作了金刚石磨盘。在磨削加工花岗石的过程中，对金刚石磨粒的出露高度、磨粒的磨损状态进行了跟踪，揭示了钎焊金刚石工具在加工过程中的磨损性能。　　2.2银基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法　　南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊的方法，以添加Cr粉的Ag-Cu合金作为钎料，在空气中感应钎焊35秒，钎焊温度780℃，实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。经X射线能谱及X射线衍射分析，发现金刚石界面上有Cr3C2生成。与不加Cr粉的Ag-Cu合金钎料的对比试验表明，合金钎料正是通过金刚石界面上的这一碳化物层而强有力地把持住金刚石。　　哈尔滨工业大学的孙凤莲等利用真空炉中钎焊的方法，以Ag-Cu-Ti活性钎料合金箔作为填充材料，对CVD金刚石厚膜进行了钎焊实验。实验参数：真空度5&10-3Pa，钎焊温度920℃，升温和降温速度为30℃/min，保温时间20min。经X射线衍射分析，确定了金刚石与钎料结合界面处的新生化合物为TiC层。正是该碳化物层使钎料与金刚石之间产生了冶金结合，使金刚石厚膜与基体金属之间形成牢固连接。在此基础上，讨论了不同的钎焊温度（850℃、880℃、910℃、940℃和970℃）对金刚石结合强度的影响。试验结果表明，在940℃时剪切强度最大，达133MPa。可见，钎焊温度直接影响到钎料、金刚石与基体之间的结合强度。　　哈尔滨理工大学的李丹等利用真空炉中钎焊技术对Ag-Cu-Ti钎料在金刚石表面的润湿状况进行了试验研究。使用了3种Ag-Cu-Ti钎料，Ti的质量分数分别占5%、10%和15%。钎焊工艺参数：真空度6.65&10-3Pa，升温和降温速度30℃/min，钎焊温度950℃，保温时间25min。试验发现，Ti占10%的Ag-Cu-Ti钎料对金刚石具有较好的润浸性能，结合强度较高。关砚聪等利用真空感应钎焊的方法，对Ag-Cu-Ti钎料钎焊金刚石磨粒进行了钎焊工艺试验研究，探讨了钎焊温度和钎料状态对结合强度的影响。钎焊工艺：采用二级加热工艺，钎焊温度分别为890℃、910℃和940℃，真空度为0.2Pa。试验结果表明，钎焊温度比钎料熔化温度高50℃（940℃）时，结合界面的结合强度最大，X射线衍射分析表明，在金刚石与钎料结合界面间新生的化合物为TiC。在钎焊温度为940℃时真空钎焊无镀膜金刚石，用Ag-Cu-Ti钎料合金箔的结合强度比用Ag-Cu共晶合金箔与Ti箔的结合强度更高。　　广东工业大学的王成勇等利用高频感应钎焊的方法，在空气中或局部气体保护下高频钎焊金刚石。主要钎焊工艺：在基体上放置钎焊片（主要为Ag-Cu-Zn、Ag-Cu-Ti或其它Ag-Cu基合金）和102焊剂，再将金刚石包裹上金属粉（铬粉和钛粉）放置在钎焊片上，或在放置了金刚石磨粒的钎焊片上均匀撒上金属粉，然后进行高频钎焊，实现了金刚石、钎料与基体之间牢固的化学冶金结合。　　2.3铜基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法　　巴基斯坦的FAKhalid等利用真空炉中钎焊的方法，以Cu-14.4Sn-10.2Ti-1.5Zr合金作为钎料，研究了金刚石界面的微观结构。钎焊工艺：真空度2&10-8Pa，钎焊温度930℃，保温时间10min，冷却速度20℃/min。扫描电镜和X射线能谱分析表明，在金刚石－钎料界面生成的碳化钛有两层结构，第一层是立方形TiC，第二层是细长形或柱形TiC。　　西安交通大学的孟卫如等应用真空炉中钎焊的方法，对金刚石钎料的适应性进行了试验研究。分别采用3种含有强碳化物形成元素Cr、Ti的BNi2（NiCrSiB）、BNi7（NiCrP）及自制的CuSnNiTi钎料，在各自的钎焊温度分别为1050℃、950℃和900℃、保温时间10min及真空度0.13Pa的条件下，单层钎焊金刚石圆锯片（&125mm）。通过扫描电镜观察形貌和X射线能谱分析成分，表明3种钎料对金刚石有很好的润湿性，钎料中的Cr、Ti元素会向金刚石表面扩散，并与金刚石中的C元素结合生成碳化物。碳化物的形成使金刚石、钎料与基体之间产生了化学冶金结合，提高了对金刚石的把持力，但结合状况及锯切性能随钎料的不同而存在差异。试验证实，自制的铜基钎料钎焊温度低，钎焊时金刚石的热损伤小，对金刚石有很好的把持力，而且钎料与所切割的石材有很好的适应性，有效提高了金刚石的利用率。　　台湾大学采用Cu-15Ti-10Sn合金钎料，比较了真空炉中钎焊方法（钎焊温度925℃、保温5min）和激光钎焊方法（钎焊时间10秒）对金刚石界面微观结构的影响。在真空炉中钎焊条件下，金刚石表面形成一层连续的过渡层（TiC薄膜）；而在激光钎焊条件下，金刚石表面形成的是一层不连续的过渡层。　　上述研究表明，不同的钎料合金（包括钎料的成分、含量、状态等）、钎焊方法和钎焊工艺参数直接影响到钎料与基体及金刚石之间的相互作用、生成物的形态以及结合界面的微观结构，从而影响结合强度以及钎焊工具的质量和性能。　　3钎焊CBN工具的研究现状　　金刚石工具只适合加工非铁族金属，而CBN工具则适合高效磨削铁族金属，二者在适用加工对象上具有互补性。但CBN的化学稳定性极高，对其进行钎焊比金刚石钎焊更加困难。目前，国内外文献资料中关于CBN钎焊研究的报道相对于金刚石钎焊要少得多。　　国外有关CBN钎焊的试验研究始于20世纪90年代初，钎焊工艺通常是：首先用化学气相沉积法（CVD）在CBN磨料表面预先沉积一层TiC薄膜，沉积温度1000℃，沉积时间90min；然后采用Ni-Cr合金在1040℃下进行真空感应钎焊，Ni-Cr合金钎料能有效浸润镀膜CBN磨粒，从而将镀膜CBN成功焊接在基体上。另外，采用不含Cr的镍基钎料（如Ni-P合金：Ni90%，P10%）同样也能良好地浸润镀膜CBN磨粒。　　近年来，国内南京航空航天大学也在进行CBN钎焊的研究，并取得了一些进展。采用的工艺是：以Ag-Cu-Ti合金为钎料（主要成分为：67%Ag，20%Cu，12%Ti），在真空电阻炉中加热至钎焊温度（1000℃）并保温适宜时间再随炉冷却至室温，取得了成功。用扫描电镜、X射线能谱仪及X射线衍射仪对CBN与钎料结合界面微观组织进行观察和分析，发现合金钎料中的元素Ti向CBN表面扩散富集，生成了针状TiB2和TiN，在CBN磨粒与钎料界面形成化学冶金结合，这是CBN与Ag-Cu-Ti钎料间有良好浸润性和高结合强度的主要原因。后续的磨削对比试验表明，钎焊CBN砂轮比电镀CBN砂轮具有更高的磨粒把持强度。在相同磨削条件下，单层钎焊CBN砂轮的磨削温度比电镀CBN砂轮明显降低，特别在大切深条件下其降温效果更为显著。因此，钎焊砂轮在降低磨削温度、提高磨料结合强度、延长砂轮使用寿命等方面比电镀砂轮具有明显优势。　　4超硬磨料的优化排布问题　　为了更充分地发挥钎焊超硬磨料工具的优越性，提高工具的加工性能和加工效果，工具表面磨粒的排布和三维形貌设计是一个重要因素。磨料的择优有序排布能够有效改善工具的加工性能。例如，在金刚石锯片加工四川红花岗石板（莫氏硬度7～8，厚度20mm）的性能对比试验中，经过磨料择优排布的高温单层钎焊金刚石锯片的寿命分别为未经优化的单层高温钎焊金刚石锯片和多层烧结金刚石锯片的120%和81.7%，加工效率则分别为1.5倍和4.9倍。我国台湾的中国砂轮公司推出的单层均布金刚石高温钎焊串珠，在不降低工具寿命的前提下，可使金刚石用量减少一半，切割速度增加两倍。据称，如果单层钎焊技术能够应用于石材加工工具，将是金刚石加工工具设计的一次革命，其结果不仅是生产效率的大幅度提高，并且可使加工成本大幅度降低。　　磨料的优化排布包括磨粒在工具表面的排布方式、磨粒的粒度和浓度、磨粒的出露高度和等高性、动态有效磨粒间距、磨粒数等一系列静、动态参数和几何参数。其中，有效磨粒间距直接决定了单颗磨粒的工作负载，不合适的磨粒间距通常会导致磨料过早失效等问题，从而降低工具的加工效率和使用寿命，因此它是需要优化的参数中对加工状态具有最大影响力的参数。在许多加工情况下，工具的不同部位需要采用不同的磨粒粒度和浓度，以便更有效地利用磨料。因此，需要根据具体应用场合和加工要求来优化磨粒排布，以制作出具有最佳使用性能的超硬磨料工具。磨料优化排布技术除可有效控制和提高加工质量，还能对工具寿命进行预估，更好地评价钎焊超硬磨料工具的性能。　　目前，实现磨料有序排布的技术主要有复制技术、模板方式和激光快速成型技术等，但这些技术在工业生产中的推广应用尚需进一步深入研究。如何实现磨粒的自动、有序排布是钎焊工具发展的一个重要课题。　　（1）复制技术　　复制技术适用于小粒径及微粉级的金刚石工具制造。由于用该技术成型的有序排布金刚石规格同一，间隙一致，形同复制，故称为复制技术。复制技术的原理是通过制作定尺寸的压块，在Si模板上刻印出成型所需有序排布的规则模孔，然后采用CVD法在模孔内沉积金刚石薄膜，最后清除Si模板并将金刚石薄膜粘结到基体上，从而实现金刚石的有序排布，其工具基体可以为任意曲面。　　（2）一次性使用壳模布料法　　该方法的原理参照熔模铸造中的型壳材料及其制作工艺，先在工具的工作面上均匀挂涂一层耐火涂层（厚度控制在磨料高度的一半左右），待其固化后在涂层上加工出间距与有效磨粒间距相符的布料槽（条布）或孔（点布）；然后在涂料层的槽或孔中填放调成膏状的钎料合金，并撒布磨粒，再将磨粒压实到基体表面；最后在已布有磨料和钎料的涂层上再封盖一层耐火涂料，进一步固定磨粒的位置，在充分硬化和高温焙烧后送入真空炉内钎焊；钎焊后去除和清理外层型壳，即可得到具有优化形貌的单层钎焊工具制品。该布料技术可以满足端面、圆柱面和各种任意复杂异形面工具的需要。　　（3）利用孔模板实现磨粒有序排布　　按照优化排布要求，在陶瓷模板上加工出孔径与金刚石（或CBN）磨粒直径相当、深度为磨粒高度70%的规律排布的孔，再按孔排布好磨粒。合金钎料熔化后的厚度约为磨粒高度的30%，由于陶瓷模板不具有可焊性，钎焊后易于去除。该钎焊工艺不仅能保证磨粒的有序排布，等高性好，而且可以保证磨粒有70%的出露高度。　　（4）有序阵列法　　该方法是首先采用焊接或胶接方式在基体上固定一层钎料，然后在钎料上固定一层石蜡，石蜡的高度与超硬磨粒高度相同，用机械力将钢柱压入石蜡，形成比超硬磨粒稍大的孔洞，以钢柱或基体步进的方式有规律地调整钢柱位置，可在基体上得到不同密度的孔洞，将超硬磨粒刷过基体，未掉入孔洞的超硬磨粒组成&有序阵列&，钎焊时石蜡被烧掉，超硬磨粒在钎焊后即形成有序排布状态。也可采用激光束来形成有序阵列。　　（5）利用激光快速成型技术实现磨粒有序排布　　从优化的结果出发，借鉴激光快速成型技术的SLS法，采用CAD数据处理软件进行切片处理，激光器以一定的扫描速度对预先随机排布在工件表面结合剂层上的磨粒按给定的形貌要求进行扫描，通过有效控制激光强度、脉冲周期和光斑直径，保证一定的焊接温度和时间，使被激光扫描到的磨粒按照形貌要求有序地钎焊到基体上，将未被激光扫描到的磨粒去除后，即可得到磨粒有序排布的单层钎焊工具。　　（6）点胶法　　借鉴点胶机的原理，选用适当的喷嘴尺寸以形成大小合适的胶滴。控制喷嘴将粘接剂按照给定的形貌要求喷洒在基体上，再将磨料撒布在基体表面，去掉多余磨料后就可在基体上形成磨粒的有序排布，胶干后将钎料粉均匀布置于磨粒间再进行钎焊。　　5结语　　高温钎焊技术可以实现金刚石（或CBN）、钎料和金属基体三者界面之间的化学冶金结合，具有较高结合强度。与电镀和烧结工具相比，钎焊超硬磨料工具具有许多优势，今后将会成为一种新的发展趋势。目前，欧洲、日本等少数国家（包括我国台湾地区在内）已经开始小批量试制单层钎焊超硬磨料工具，但要实现大批量工业化生产和在加工中推广应用，其制造工艺&&无论是钎焊工艺还是磨料排布&&仍存在许多需要进一步解决的难题。总之，钎焊超硬磨料工具有着很好的应用前景，可带来巨大的社会效益和经济效益，应加大研究开发力度，尽快实现产业化。
回答者:宋鹏渊
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DOI:10.14176/j.issn.14.02.002
Electronics Process Technology
电子工艺技术
2014年3月第35卷第2期
?微组装?SMT?PCB?
电连接器的感应钎焊工艺设计研究
霍绍新，解启林，刘炳龙
（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽　合肥　２３００３１）
摘　要：微波组件中的电连接器焊接要求高，感应钎焊技术因其可以实现快速焊接、焊料氧化少、热影响区域小而被用来焊接电连接器。对感应钎焊电连接器的工艺设计进行了研究，针对其工艺设计中的主要因素工件结构形式、工件材料、接触镀层以及焊料种类展开了讨论分析。以上述工艺设计为指导，优化设置了感应钎焊工艺参数，焊接获得了满足相关质量要求和气密性指标的微波电连接器。
关键词：微波组件；电连接器；感应钎焊
中国分类号：ＴＮ６０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－３４７４（２０１４）０２－００７０－０５
Research on Induction Brazing Process and Design of Electrical Connectors
HUO Shao-xin, XIE Qi-lin, LIU Bing-long
( No. 38 Research Institute of CETC; Hefei 230031, China )
Abstract: The induction heating technology was used to solder the electrical connectors of microwave module because of the advantages of quick heating, little oxidation of solder, and capability of heating the local sites. The process and design of the induction brazing electrical connectors were researched focused on the main factors, such as structure, materials, metal coatings, and solders. The process and design of induction brazing is determined based on the above discussion. The microwave module which was soldered with electrical connectors performed the excellent quality and ful? lled the hermetic demand.
Key Words: M E Induction brazingDocument Code: A
Article ID: 14,02-0070-05
航空、航天、地面电子侦察、测控等领域的电子设备中包含了大量的微波组件，而在其中的电连接器发挥了至关重要的作用，设计、装配优良的电连接器不仅可以起到机械支撑，以达到定位、物理保护的目的，而且还可以起到传输信号，参与组件内部与外围电路的电信号传输的作用。所以电连接器的结构、设计、装配等技术直接影响着微波组件的各项性能，如在设计时提出了插入损耗、电压驻波比（VSWR）等电性能要求，而在装配时提出了气密封指标、接地钎透效果等要求，即通过壳体与连接器构成的气密封装，使内部电路与外部环境隔绝，尤其是在包含了大量裸芯片的微波电路中，必须保护电路免受外界恶劣环境的影响；接地效果上要求钎透率高，以保证较小的插入损耗和VSWR。
为了达到上述理想的装配效果，目前的微波组件电连接器大量采用钎焊技术进行装配，使用合适的焊料完全密封连接器和工件的装配间隙。传统的电连接器钎焊可以选用的方法主要有真空钎焊、回流焊、热板焊等，在这里真空钎焊工艺虽然可以克服回流焊和热板焊工艺中焊料高温氧化缺陷，但它们都是对组件整体进行加热且加热时间较长，这会对组件上的其他元器件造成长时间的过度“老炼”，引起可能的性能下降。并且在多芯片微波组件中，常常包含了大量的电连接器需要焊接，连接器的分布密度高、形状结构差异大，普通焊接技术很难达到焊接高效率和高可靠性。然而感应钎焊技术则能很好地克服这些缺陷。
作者简介：霍绍新（１９８３－　），男，博士，毕业于华中科技大学，工程师，主要从事电子组装与封装工艺研究。基金项目：国防基础科研项目（项目编号Ａ１１２０１３２０１６）。
第35卷第2期
１　感应钎焊技术特点
霍绍新，等：电连接器的感应钎焊工艺设计研究
２．１　工件结构形式及线圈设计
感应钎焊技术主要原理是依靠工件在交流电的交变磁场中产生感应电流进而产生电阻热来加热，所以可以实现快速加热和冷却，焊接效率高，焊料氧化少，并且可以将热量控制在工件焊接局域部位，热影响区域小，避免了对其他部位元器件的加热影响[2,3]。根据其技术原理，感应加热技术存在显著的特点――集肤效应。我们把交变磁场在工件中感应产生的电流称为涡流，由于集肤效应的存在，涡流会沿横截面由表面至内层呈指数规律衰减，所以涡流的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层。
工程上规定，当涡流强度从表面至内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e（即36.8%），该处到表面的距离h称为电流透入深度。由于电阻热与电流的平方成正比，因此由表面至内层热量下降速度要比涡流下降速度快得多，可以认为热量85%～90%产生自厚度为的薄层中。根据文献报道[4]，这个透入深度由下式确定：
式中：ω为角速度；γ为工件电导率；μ为磁h==1/0r=k/
工件的结构形式主要是指工件的外形、尺寸以及工件上连接器的安装孔外形，它主要决定了感应
线圈的结构设计和整个焊接工艺的难易程度。
２．１．１　连接器安装孔的结构形式
首先，考虑连接器安装孔的结构形式，它是与连接器的外形、尺寸相匹配对应的，连接器的外形多种多样，我们这里着重讨论方形和圆形外形的连接器。低频连接器多为长方形或近似长方形外形，射频连接器或绝缘子多为圆形，如图1所示，在设计安装孔时，为了紧密焊接，安装孔也需要为相应的方形或圆形。一方面，不同的安装孔和连接器外形、尺寸等差异造成了热容差异，这必然影响了感应钎焊的功率设置，尺寸越大功率设置也偏大。另一方面，不同的安装孔外形必须有与之匹配的感应线圈设计，原则上，方形或圆形外形安装孔分别设计方形或圆形的感应线圈，以达到最佳的线圈感应耦合效果，如图2所示的A、B形状的线圈。
导率；μ0为真空磁导率；μγ为工件相对磁导率；k为常数；f为感应发生器频率。
从上式可以看出，透入深度与材料的电导率、相对磁导率以及频率乘积的平方根成反比。透入深度的存在可以使热量产生自工件局域部位而不影响其他器件，但透入深度并非越小越好。首先，因为透入深度太小，电磁波会在金属表面形成反射，会降低电效率；其次，当在金属表面发热时，因为表面同时会辐射散热，当散热量较大甚至大于传导到工件内部加热区域的热量，这就影响了整体的热效率。所以，要根据实际工程要求，选取磁导率和电导率适中的材料，不能太大或太小。
本文根据上述感应钎焊的技术特点，将该技术应用在电连接器的钎焊焊接中。文中主要报道了感应钎焊工艺设计的主要因素，如工件结构形式、工件材料、接触镀层、焊料种类等，以及其对感应加热时的线圈设计、功率设置的影响。最后有针对地列举了相关电连接器的感应钎焊焊接应用，以期获得焊接质量良好的微波组件。
图２　针对不同连接器和安装孔外形的感应线圈设计
方形连接器
图１　方形、圆形连接器
圆形连接器
然而，安装孔外形并非都如连接器外形有规则，如多个圆形或方形连接器并排、混装设计的安装孔，此时可以设计如图2中C和D所示的感应线圈形状。而当工件端面尺寸比安装孔区域大的多时，如图2中E，此时设计围绕整个工件四周的矩形线圈已经不合适，可以设计不规则的感应线圈形状。２．１．２　工件的凸台设计
其次，为了便于感应焊接的进行，便于感应线圈的放置，我们进行了工件的凸台设计，如图3所示。工件的凸台不仅可以使连接器与安装孔更大面积地钎着接触，增强了连接器的机械稳定性；还便于放置感应线圈，使线圈的内平面和焊料居于同一平面，增大了穿过工件中的有效磁通量，增大了涡
２　工艺设计研究
结合工程实例，针对影响功率设置和感应线圈设计的主要因素，从工件结构形式、工件材料、接触镀层以及焊料种类四个方面对感应钎焊电连接器的工艺设计进行了研究。
Electronics Process Technology
电子工艺技术
流，焊接效率和温度均匀性得以提高；同时，根据前文感应加热的集肤效应，凸台设计使得感应电流主要分布在工件上，避免了在连接器中产生感应电流和电阻热而可能损伤电连接器。同时，该种凸台设计也能解决图2中所述的连接器安装孔尺寸远小于工件端面尺寸而造成感应线圈设计复杂的问题。
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
图３　工件安装孔部位的凸台设计
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。２．３　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0.4～3.5 μm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
２．１．３　连接器与安装孔的装配间隙
最后，连接器与安装孔的装配间隙不当，也会影响感应钎焊的工艺设计和焊接效果。连接器与安装孔的装配间隙主要是指二者在无焊料时装配的距离，这个距离范围可以设计在0.03～0.10 mm之间。设计太大、太小或者机加安装孔和连接器时的不适当公差，会给感应钎焊造成难度。装配间隙太大，会在焊接后出现如图4A所示的连接器歪斜、焊料下漏等问题；间隙太小，则不利于焊料填隙、钎着，会
造成焊料挤压外溢和焊接空洞等问题，如图4B所示。
图４　装配间隙设计不当造成的连接器焊接缺陷
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。２．４　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
２．２　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
表１　四种电子封装壳体材料的物理特性
金属铝合金（６０６１）钛合金（ＴＣ４）　铝硅合金可伐（４Ｊ２９）
（２５　℃）电导率γ／
（２５　℃，０．０５　Ｔ）相对磁导率μｒ
（×１０６　Ｓ?ｍ－１）　
２５．０００．６０１８．００￣３７．００
１１１１　０００
（２５　℃）　热导率λ／（Ｗ?ｍ－１Ｋ－１）（ｆ＝５００　ｋＨｚ）透入深度ｈ／ｍｍ
１５５．０７．９
１７７．０　（型号ＣＥ１７）
０．１４０　００．９１８　００．１１７　０￣０．１６７　０
０．０１５　３
第35卷第2期
霍绍新，等：电连接器的感应钎焊工艺设计研究73
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。
图６　电连接器感应钎焊实例图之一
３．２　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500 kHz，加热功率百分比为50%~72%，加热时间为10~25 s。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 5×10-9 Pa?m3/s的氦漏率。
图５　焊料选取不当造成的锡珠飞溅和助焊剂残留
３　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。
３．１　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450~600 kHz，加热功率百分比为42%~60%，加热时间为10~20 s。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 5×10-9 Pa?m3/s的氦漏率。
图７　电连接器感应钎焊实例图之二
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（下转第８７页）
第35卷第2期
林文海：应用于裸芯片去污的气相清洗技术
保证裸芯片和金丝键合点的可靠性。
４　结束语
从我们对限幅二极管砷化镓裸芯片、硅基裸芯片、砷化镓键合金丝前和键合后的裸芯片进行气相清洗的实验结果可以看到，气相清洗工艺适宜于对
裸芯片进行清洗，它具有低温、低毒等传统优势，
（ａ）清洗前　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）清洗后
除此之外更重要的是气相清洗工艺对组件和芯片不产生任何机械摩擦和振动，保证了裸芯片及键合的金丝不会被破坏。气相清洗过程中通过上升蒸汽的冷凝和再循环，也避免了在清洗掉部分污染物后局
（ａ）清洗前　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）清洗后图４　金丝键合后砷化镓裸芯片的清洗效果对比
部产生浓差极化，清洗效率下降的问题。因此，气相清洗是一种简单高效的清除裸芯片上污染物的方法。
展望气相清洗的前景：对于已经完成组装的复杂结构的组件来说，气相清洗产生的蒸汽可以深入到某些常用手段不易接触的部位，完成清洗工作；对于需要返修的组件，在清洗污染物的同时保证其他部位不会受到损伤，这是其他清洗手段所不具备的特点；针对裸芯片本身特点和装联过程的特殊要求来说，气相清洗工艺是一种高度满足其清洗要求的优秀工艺手段。参考文献：
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收稿日期：
输性能好，所以它具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、抗电磁辐射能力强的特点。可应用于通讯、太阳能发电、高频卫星、航空国防等多种领域，频率覆盖从900 MHz可一直扩展到100 GHz，并随着各种设备小型化的发展，砷化镓裸芯片的应用范围正在逐步扩大。尽管砷化镓裸芯片在高频高端领域有硅材料难以超越的性能优势和应用价值，但同时它特殊的物理化学特性和与硅不同的纯化制造工艺也让砷化镓裸芯片的制造成本极高。而砷化镓裸芯片的机械强度又比硅更差，砷化镓裸芯片一旦在制造过程中被污染，对它的清洗需要采用更小心、机械振动和应力更低的手段。
通过图3可以发现，砷化镓裸芯片表面糊状污染物基本被清除干净，清洗后露出的钝化层也没有被破坏的痕迹，裸芯片上的线条清晰、完整。在图4中可以看到砷化镓裸芯片边缘的点状污染物已经完全清洗干净，边缘没有残留。金丝键合点形状、弧度和角度也没有明显变化，证明对于已经金丝键合过的砷化镓裸芯片来说，气相清洗工艺能够获得良好的结果，同时它没有机械摩擦和振动的特点，也能
（上接第７３页）获得的电连接器都能满足相关质量要
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包含各类专业文献、中学教育、幼儿教育、小学教育、专业论文、生活休闲娱乐、文学作品欣赏、各类资格考试、10电连接器的感应钎焊工艺设计研究_图文等内容。　
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