专利名称：一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及钎焊实验技术领域，特别涉及一种超声振动和电场辅助的钎焊实
验装置。
背景技术：
在电子产品中，钎焊焊点起着连接电器元件与基板的重要作用。随着电子产品向闻功率、闻密度、闻可罪性及多功能化和无铅组装、封装等方向的迅速发展，对无铅焊点的质量和可靠性提出了更高的要求。在钎焊过程中，与润湿、扩散、凝固等密切相关的工艺焊接性较差，常会导致诸如虚焊、厚且界面粗糙的金属间化合物(MO层开裂、焊缝微观偏析、焊点剥离和焊盘剥落等焊接缺陷，严重影响焊点质量和可靠性。随着钎料无铅化发展的进程，此缺陷日显突出。在钎焊过程中，润湿性是影响钎焊焊点质量和可靠性的关键因素。目前，为了提高钎焊焊点或接头的可靠性和质量，常通过改善钎料润湿性的方法来实现。钎料的润湿性与液态钎料在母材表面的铺展，气液、固液界面张力以及材料界面的传质行为有关。无铅钎料的润湿性普遍低于传统SnPb钎料，因此，现有技术中常常通过采用强腐蚀钎剂及气氛保护等措施来提高无铅钎料对母材的润湿以得到性能良好的钎焊接头或焊点。但是气氛保护下的钎焊生产成本高，并且钎剂一般都具有腐蚀性，对钎焊焊点或接头在服役过程中有不利影响。为了在实现改善钎料润湿性的前提下，同时达到在钎焊过程中少用、甚至不用焊剂的目的，现有技术中存在外加能量辅助的钎焊方法，该钎焊方法可以改善钎料的润湿性。该钎焊方法有以下两种:一种是对母材施加超声波振动载荷，另一种是在钎料与母材的钎焊位置施加静电场。使用超声波振动载荷辅助的钎焊方法的现有技术如200710071744.2号中国发明专利公开了一种超声波振动液相焊接设备，该设备包括超声波振动加载装置和钎焊加热热源。上述专利文献中 研究了 ZnAl钎料在频率20kHz、振幅10 μ m超声波振动载荷作用下的润湿填缝过程；研究表明，超声波振动在液体中传播会产生空化作用，借此能够破除母材表面的氧化膜并促进液态钎料在母材表面的铺展。但是，单纯施加超声波振动会使液态钎料在润湿过程中产生“皮下潜流层”，不利于钎料充分润湿，钎料润湿程度有限。在超声波振动载荷作用下，钎料的润湿性大多能得到改善，但改善程度有限。使用静电场辅助的钎焊方法的现有技术如西安理工大学李大圣、范志康在《稀有金属材料与工程》2007年第36卷第6期的论文(论文题目为“电场和元素Cr对Cu/W润湿性的影响”)中研究了静电场对Cu/W润湿的影响。该论文公开了在静电场作用下进行钎料润湿过程的方法。外加静电场能在液固界面处形成接触电势和电荷富集，从而引起固液界面能降低，并且静电场能够促进材料界面传质，有利于钎料润湿，但单一静电场的作用对钎料润湿性的改善也很有限。上述外加能量辅助的钎焊方法，不管是单一施加超声波振动载荷还是单一施加静电场，都仅能在有限范围内提高钎料的润湿性，不能显著提高钎焊焊点的质量和可靠性。此夕卜，单一加超声波振动载荷辅助的钎焊实验装置存在加热环境均温性差的缺点；单一加静电场辅助的钎焊实验装置存在静电场电源品种单一，不能开展静电场种类、极性等对钎焊过程中的润湿性影响的实验研究的缺点。这两种方法均存在钎焊实验装置二次开发性差的弊端。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，以使钎焊过程在超声波振动载荷和静电场的共同辅助作用下进行。为了实现上述目的，本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置采用如下技术方案:超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热系统、用于对实验材料施加静电场的静电场施加系统、用于对实验材料施加超声波载荷的超声波载荷施加系统；所述静电场施加系统包括静电场电源、与静电场电源电连接的上电极板和下电极板，所述下电极板的上表面上设有用于放置实验材料的绝缘钎焊工作台，绝缘钎焊工作台的台面是用于放置实验材料的平面；超声波载荷施加系统包括提供超声波振动源的超声波发生系统和将超声波振动传递给实验材料的超声波振动传递系统；所述超声波发生系统包括超声波发生电源、与超声波发生电源连接的压电陶瓷换能器，超声波振动传递系统包括支架、与支架铰接摆动连接或弹性摆动连接的用于伸入所述上电极板和下电极板之间的超声波传递杆、固设于超声波传递杆上的用于压紧实验材料的振动压头，所述压电陶瓷换能器固定于超声波传递杆上，所述超声波传递杆伸入上电极板和下电极板之间的部分和振动压头均采用可防止对静电场造成屏蔽的绝缘陶瓷制成。加热系统包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热炉、设于加热炉内的热电偶、设于加热炉外的与热电偶连接的用于监测和控制实验材料的周围环境温度的温度控制仪表，所述上电极板和下电极板设置于加热炉中，所述超声波传递杆一端伸出加热炉之外，所述超声波发生电源设于加热炉之外。还包括实验平台，所述上电极板和下电极板分别通过绝缘体支撑置于实验平台上，支撑上电极板 的绝缘体为绝缘柱，支撑下电极板的绝缘体为绝缘板，所述绝缘钎焊工作台、绝缘板均由具有高强度的氮化硅陶瓷制成，绝缘钎焊工作台和绝缘板均为圆片形。上电极板与下电极板之间的间距不小于3cm，上电极板和下电极板之间的静电场强度范围为O 6.6 kV/cm。所述超声波传递杆上装配加压配重。所述静电场电源是可以提供O 20kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压的静电场电源，静电场电源具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，静电场电源的正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端中的任意两个分别与上电极板和下电极板的电极引线相连接。所述超声波发生系统还包括用于放大振幅的聚能器，所述压电陶瓷换能器与聚能器连接组合成组合体而一同固定在超声波传递杆上，所述超声波发生电源具有O 300W的振动功率和20 40kHz的振动频率。所述支架包括上下方向导向的滑动轨道和导向滑动装配于滑动轨道上的与所述超声波传递杆铰接的滑动套筒，所述超声波发生系统的聚能器通过螺丝固定于超声波传递杆的靠近支架一端的顶部，并且聚能器振动方向与超声波传递杆的长度延伸方向垂直。采用本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置可以使实验材料在超声波振动载荷和静电场的共同辅助下进行钎焊实验过程，克服了现有技术中单一施加超声波振动或单一施加静电场在提高钎焊焊点的质量和可靠性方面所存在的局限(无法实现振动载荷与静电场共同作用，单一加超声波振动装置加热环境均温性差，单一加静电场装置静电场电源品种单一，以及两者均存在实验装置二次开发性差等不足)。超声波传递杆伸入上电极板和下电极板之间的部分和振动压头均采用绝缘陶瓷制成，可以防止对静电场造成屏蔽。本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊装置具有功能齐全、安全可靠、使用方便的特点。本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置拓展了少用、甚至不用钎剂的钎焊技术研究，既可用于研究实验材料在超声波振动载荷和静电场的复合作用下的钎焊过程，又可用于开发研究钎焊新技术、新工艺。进一步的，加热系统包括加热炉、热电偶和温度控制仪，可以方便监测和控制实验材料的周围环境温度。进一步的，上电极板与下电极板之间的间距不小于3cm，可以使实验过程中的静电场强度均匀、变化小。进一步的 ，静电场电源具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，可以使上电极板和下电极板之间产生不同类型的静电场。
图1是本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的一种实施例的使用状态图；图2是图1中超声波载荷施加系统的结构不意图；图3是图1中静电场施加系统的结构示意图；图4是图1中加热系统的结构示意图；图5是图1中实验材料的结构示意图；图6是图5中母材的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的一种实施例，如图1 6所示:该装置包括用于对实验材料2提供钎焊热源的加热系统、用于对实验材料2施加静电场的静电场施加系统、用于对实验材料2施加超声波振动载荷的超声波载荷施加系统。实验材料2包括具有搭接结构的两个母材201和置于两个母材201的搭接面之间的钎料202，在本实施例中，母材201为具有台阶板状的搭接结构的Cu板，钎料202为薄片状，钎料置于两个母材的搭接结构的上、下对应的搭接面之间。加热系统包括具有长方体型内腔的用于对实验材料2提供钎焊热源的加热炉20、置于加热炉20内的热电偶21、设于加热炉20外的与热电偶21控制连接的用于监测和控制实验材料2的周围环境温度的温度控制仪表22。加热炉20采用220V交流电供电，受温度控制仪表22的控制，加热炉20的工作温度范围为室温至1000°C。加热炉20内还设有实验平台3。静电场施加系统包括静电场电源38、与静电场电源38电连接的上下相对间隔设置的上电极板30和下电极板31。本实施例中上电极板30与下电极板31之间的间距为4cm。上电极板30和下电极板31分别通过绝缘体支撑设置于实验平台3上，下电极板31的上表面上设有用于放置实验材料2的绝缘钎焊工作台33，绝缘钎焊工作台33的台面是用于放置实验材料2的平面。上电极板30和下电极板31上均焊接有由耐热钢制成的接线柱35，接线柱35连接有电极引线36，电极引线36 —端通过螺母紧固连接于接线柱35上、另一端与设于电热炉外部的静电场电源38连接。电极引线36上套有用于将电极引线36与加热炉20绝缘的绝缘套管37。热电偶21的金属丝与电极引线36、上电极板30和下电极板31之间的最小距离均不小于3cm。在本实施例中，上电极板和下电极板31均为采用美国牌号304不锈钢制成的圆形平板，且上电极板30的直径大于下电极板31直径，支撑上电极板30的绝缘体具体为绝缘柱32，支撑上电极板30的绝缘柱32共有三根且沿上电极板30的圆周方向均匀分布，支撑下电极板31的绝缘体具体为绝缘板34，绝缘钎焊工作台33、绝缘板34均由具有高强度的氮化硅陶瓷制成，绝缘钎焊工作台33和绝缘板34均为圆片形。绝缘柱32由耐高电压的非导电陶瓷制成，本实施例中采用氮化硅陶瓷制成。绝缘套管37由耐高温、耐高电压的陶瓷材料制成，本实施例中采用石英玻璃制成。电极引线36用耐热金属制成，本实施例中，电极引线36是直径1.2mm的镍硅热电偶丝。实验材料2所处环境的静电场强度为2.5kV/cm。静电场电源38可以提供O 20kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压，具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端。静电场电源38的正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端中的任意两个分别与上电极板30和下电极板31的电极引线36相连接。本实施例中，上电极板30连接负高压输出端，下电极板31连接接地端，静电场电源38的电压选择10kV。超 声波载荷施加系统包括提供超声波振动源的超声波发生系统I和将超声波振动传递给实验材料2的超声波振动传递系统5。超声波发生系统I包括超声波发生电源40、与超声波发生电源40电连接的压电陶瓷换能器、与压电陶瓷换能器连接组合构成组合体41的聚能器，压电陶瓷换能器和聚能器在制造时已经组合在一起而构成组合体41，超声波振动传递系统5包括支架、一端与支架上下摆动铰接而另一端穿设于上电极板30与下电极板31之间的超声波传递杆50、固设于超声波传递杆50且穿设于上电极板30与下电极板31之间的一端朝下的用于压紧实验材料2的振动压头51。支架包括上下方向导向的滑动轨道53和滑动装配于滑动轨道53上的与超声波传递杆50铰接的滑动套筒52。超声波发生系统I由压电陶瓷换能器和聚能器组合构成的组合体41通过螺丝固定于超声波传递杆50的靠近支架一端的顶部，并且聚能器振动方向与超声波传递杆50的长度延伸方向垂直。超声波传递杆50上组合体41与振动压头51之间装有加压配重55，加压配重55为砝码。滑动轨道53通过焊接固设于沿水平方向延伸的底座54上。聚能器为锥形聚能器，聚能器由TC4钛合金制成，压电陶瓷换能器通过导线将超声波发生电源40提供的电信号转化为超声波振动能量形式，聚能器能起到将超声波发生电源40提供的振幅放大2倍的作用。振动压头51通过高温胶与超声波传递杆50固定连接。超声波传递杆50的一部分用TC4钛合金制成。超声波传递杆50伸入上电极板30与下电极板31之间的部分和振动压头51均采用可防止对静电场造成屏蔽的绝缘陶瓷制成。在本实施例中，超声波传递杆50伸入上电极板30与下电极板31之间的部分由碳化硅陶瓷制成，振动压头51用氮化硅陶瓷制成。超声波振动从超声波发生电源40通过超声波传递杆50传递至实验材料2，产生的超声波振动功率O 300W，振动频率为20 40kHz。另外，本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中还包括用于工作完成后及时放掉上电极板、下电极板和静电场电源输出端的静电的放电棒，放电棒由耐高电压的大电阻和导线组成，使用时一端接静电场电源的接地端，另一端与电极引线接触放电。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中静电场电源还可以选择其它的电压范围以及静电场电源各输出端与相应的上电极板和下电极板的不同接法。例如:上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流高压输出端，输出电压范围为O 20kV ;或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流高压输出端，输出电压范围为O IOkV ;或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、负直流高压输出端，输出电压为O 20kV ;或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、负直流高压输出端，输出电压为O 20kV ;或者上电极板、下电极板分别接接地端、负直流高压输出端，输出电压为O IOkV;或者上电极板、下电极板分别接接地端、交流高压输出端，输出电压为O IOkV ;或者上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流脉冲高压输出端，输出电压为O 20kV ;或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流脉冲高压输出端，输出电压为O IOkV ;或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、接地端，输出电压为O IOkV ;或者上电极板、下电极板分别接交流高压输出端、接地端，输出电压为O IOkV ;或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、接地端，输出电压为O 10kV。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，上电极板与下电极板之间的间距可以为3 6cm。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，加热系统中还可以采用其它的热源，如高频感应加热，具体为通过线圈加热。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，实验材料所处环境静电场强度可以为O 6.6kV/cm。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，在仅使用压电陶瓷换能器就能够满足要求时，超声波载荷施加系统也可以省去聚能器而仅包括超声波发生电源和压电陶瓷换能器。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，电极引线还可以用钼铑合金丝制成。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，绝缘套管还可以用氧化铝陶瓷制成。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，绝缘柱还可以用石英玻璃或氧化铝陶瓷制成。在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，绝缘钎焊工作台和绝缘板可以采用氧化铝 陶瓷制成。[0040]在本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的其它实施例中，电极引线一端还可以直接拧紧在接线柱上，或电极引线的一端直接套装拧紧在上电极板和下电极板上。本实用新型的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置的实施例的使用过程包括以下步骤:A)焊前准备:a)实验材料的制备:1)在钎焊所用的母材上加工出台阶状的搭接结构，用砂纸或磨削设备将母材的待焊表面打磨平整、光洁，并用丙酮或酒精进行清洗，晾干或吹干后备用；2)将钎料制成薄片状；3)将钎料置于两个母材的搭接结构的上、下对应的搭接面之间，将两块母材的搭接结构对扣搭接在一起；b)焊接设备的调试:1)将静电场电源、超声波发生电源接入220V交流电；2)调定所需的超声波振动功率后关闭超声波发生电源，待实验需要时开启；3)调定需要的静电场种类、极性、电压后关闭静电场电源，待实验需要时开启。B)钎焊过程:将实验材料放置于静电场施加系统的上电极板和下电极板之间，将与设定频率的超声波振动源连接的超声波传递杆伸入静电场中，并通过超声波传递杆上固定连接的振动压头对实验材料施加超声波载荷，对处于静电场中的实验材料加热至设定温度，使钎料熔化，将搭接设置的两个母材连接在一起。C)焊后处理:加热完成后，及时使用放电棒放掉上电极板、下电极板上及静电场电源输出端的静电；打开加热炉 门，取下振动压头，取出实验材料。
权利要求1.一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热系统、用于对实验材料施加静电场的静电场施加系统、用于对实验材料施加超声波载荷的超声波载荷施加系统；所述静电场施加系统包括静电场电源、与静电场电源电连接的上电极板和下电极板，所述下电极板的上表面上设有用于放置实验材料的绝缘钎焊工作台，绝缘钎焊工作台的台面是用于放置实验材料的平面；超声波载荷施加系统包括提供超声波振动源的超声波发生系统和将超声波振动传递给实验材料的超声波振动传递系统；所述超声波发生系统包括超声波发生电源、与超声波发生电源连接的压电陶瓷换能器，超声波振动传递系统包括支架、与支架铰接摆动连接或弹性摆动连接的用于伸入所述上电极板和下电极板之间的超声波传递杆、固设于超声波传递杆上的用于压紧实验材料的振动压头，所述压电陶瓷换能器固定于超声波传递杆上，所述超声波传递杆伸入上电极板和下电极板之间的部分和振动压头均采用可防止对静电场造成屏蔽的绝缘陶瓷制成。
2.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，加热系统包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热炉、设于加热炉内的热电偶、设于加热炉外的与热电偶连接的用于监测和控制实验材料的周围环境温度的温度控制仪表，所述上电极板和下电极板设置于加热炉中，所述超声波传递杆一端伸出加热炉之外，所述超声波发生电源设于加热炉之外。
3.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，还包括实验平台，所述上电极板和下电极板分别通过绝缘体支撑置于实验平台上，支撑上电极板的绝缘体为 绝缘柱，支撑下电极板的绝缘体为绝缘板，所述绝缘钎焊工作台、绝缘板均由具有高强度的氮化硅陶瓷制成，绝缘钎焊工作台和绝缘板均为圆片形。
4.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，上电极板与下电极板之间的间距不小于3cm，上电极板和下电极板之间的静电场强度范围为O 6.6 kV/cm。
5.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述超声波传递杆上装配加压配重。
6.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述静电场电源是可以提供O 20kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压的静电场电源，静电场电源具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，静电场电源的正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端中的任意两个分别与上电极板和下电极板的电极引线相连接。
7.根据权利要求1 6中任意一项所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述超声波发生系统还包括用于放大振幅的聚能器，所述压电陶瓷换能器与聚能器连接组合成组合体而一同固定在超声波传递杆上，所述超声波发生电源具有O 300W的振动功率和20 40kHz的振动频率。
8.根据权利要求7所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于:所述支架包括上下方向导向的滑动轨道和导向滑动装配于滑动轨道上的与所述超声波传递杆铰接的滑动套筒，所述超声波发生系统的聚能器通过螺丝固定于超声波传递杆的靠近支架一端的顶部，并且聚能器振动方向与超声波传递杆的长度延伸方向垂直。
专利摘要本实用新型涉及一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置。本实用新型涉及的装置包括加热系统、静电场施加系统、超声波载荷施加系统；静电场施加系统包括静电场电源、上电极板和下电极板，下电极板的上表面上设有绝缘钎焊工作台；超声波载荷施加系统包括超声波发生系统和超声波振动传递系统；超声波发生系统包括超声波发生电源和压电陶瓷换能器；超声波振动传递系统包括支架、超声波传递杆和振动压头，超声波传递杆伸入上电极板和下电极板之间的部分和振动压头均采用绝缘陶瓷制成。本实用新型可以使实验材料在超声波振动载荷和静电场的共同辅助下进行钎焊实验，克服了单一施加超声波振动或单一施加静电场在提高钎焊焊点的质量方面所存在的局限。
文档编号B23K3/04GK203091909SQ20132012185
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者张柯柯, 赵恺, 石红信, 张占领, 张晓娇, 王要利, 邱然锋, 于华, 刘珊中, 栗海仙, 孙敬, 李臣阳, 衡中皓, 刘宇杰, 郭兴东, 刘世英, 李猛, 崔春雷 申请人:河南科技大学