通过金属间化合物分析优化焊接条件的不同种类的金属之间的激光焊接方法与流程

本申请要求2017年9月11日提交的韩国专利申请no.10-2017-0116056的优先权的权益，其全部公开内容通过引用并入本说明书中。

本发明涉及一种用于不同金属的激光焊接方法，该方法可以通过利用金属间化合物分析来优化焊接条件。

背景技术：

铝(al)构件和铜(cu)构件因为它们具有优异的导电性和导热性而广泛用于电子和电气部件和散热部件中。

具体地，铜构件在导电性和导热性方面优异，并且具有高的机械强度和大的抗变形性。铝构件具有比铜稍低的导电性和导热性，但是它们重量轻并且更不抗变形。因此，铜和铝构件根据电子和电气部件以及散热部件所需要的性能来使用。另一方面，在包含阴极和阳极的电池的制备中，要求阴极和阳极具有用于电池之间的电连接的接合。通常，使用铝、铜和其它构件的异质接合方法被广泛使用。而且，为了使电子和电气部件以及散热部件缩小尺寸并变轻，近来需要铜和铝构件的接合。

然而，由于在激光焊接使铜和铝接合时，铝和铜由于它们不同的熔融温度而产生具有数个相的金属间化合物。图1示出了观察铜汇流条和铝引线的激光焊接的横截面的光学显微镜图像。当铝构件和铜构件被直接焊接时，在焊接部分(接合界面)中随机产生大量的金属间化合物，如图1中所示。根据焊接方法和条件，待产生的相的数量或类型会不同。由此形成的金属间化合物具有比母体材料(基底金属)更高的电阻和硬度，这会不利地影响焊接部分的机械性能，例如脆性，或者由于电阻增加而使电池之间的电连接劣化。因此，需要一种能够充分确保金属间化合物的结合可靠性的技术。

技术实现要素：

技术问题

必须找到一种对激光焊接部分中产生的金属间化合物(imc)进行分布分析和定量的方法，以确保焊接质量的可靠性。

因此，本发明的一个目的是提供一种通过对金属间化合物进行分布分析和定量来确认激光焊接的最佳条件的方法，以确保激光焊接不同金属时焊接部分的可靠性。

技术方案

为了实现所述目的，本发明提供一种用于不同金属的激光焊接方法，包括测量在所述不同金属之间的激光焊接部分中产生的金属间化合物的含量来计算所述不同金属各自的熔融面积的比例并且将熔融面积的比例控制到预定值以优化焊接条件。

在一个优选的实施方案中，所述熔融面积的比例由下面的等式定义，并且可以将其控制到小于10％。

熔融面积的比例＝(熔融面积小的金属的熔融面积/熔融面积大的金属的熔融面积)×100

在一个优选实施方案中，该方法还可以包括通过测量所述焊接部分的拉伸强度来预先确定所述焊接部分是否是弱焊接。

此外，所述金属间化合物的含量的测量可以包括：(a)对所述金属间化合物进行x射线衍射(xrd)分析以确定是否存在新形成的相及其类型的步骤；(b)对所述金属间化合物进行电子背散射衍射(ebsd)分析以得到菊池带并且映射整个图像的菊池带的步骤；和(c)将由其类型确定的相和由菊池带指示的信息匹配以确认所述金属间化合物的分布和相对于测量面积的所述相的分数的步骤。

在本发明的一个优选实施方案中，由于激光焊接不同金属时，不同金属之间的熔融温度的差异，所述金属间化合物可以具有数个相。

所述金属间化合物可以选自铝(al)-铜(cu)化合物和铝(al)-镍(ni)化合物，优选地，可以包括选自al2cu、alcu、al3cu4、al2cu3、al4cu9、al3cu2、alcu3和al9cu11.5中的至少一种。

有益效果

本发明通过对激光焊接部分中产生的金属间化合物的相利用分布和定量分析，可以提供激光焊接的最佳条件，这使得能够对不同金属的激光焊接设计和工艺方法进行反馈，使金属间化合物最小化，从而确保焊接部分的机械和电气可靠性。

附图说明

图1示出了观察铜汇流条和铝引线之间的激光焊接部分的横截面的光学显微镜图像；

图2是示出测量焊接部分的拉伸强度的图；

图3是示出测量焊接部分的剥离强度的图；

图4示出根据图2中的正常焊接和过度焊接的金属间化合物(imc)的含量和ebsd映射图像；

图5是示出imc面积与金属熔融面积的比例的关系的图；

图6是示出测量金属熔融面积的方法和由此得到的金属熔融面积的比例的ebsd图像。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明。以下说明书旨在说明本发明，而不应该理解为限制本发明的范围。

本发明涉及一种用于不同金属的激光焊接方法，包括测量所述不同金属之间的激光焊接部分中产生的金属间化合物的含量来计算所述不同金属各自的熔融面积的比例并且将熔融面积的比例控制到预定值以优化焊接条件。

所述金属间化合物是指由于不同金属的熔融温度和冷却速率之间的差异而在激光焊接时形成的具有数个相的材料。根据本发明的一个优选实施方案，所述金属间化合物可以选自铝(al)-铜(cu)化合物和铝(al)-镍(ni)化合物，优选地，可以包括选自al2cu、alcu、al3cu4、al2cu3、al4cu9、al3cu2、alcu3和al9cu11.5中的至少一种。

在一个优选的实施方案中，所述熔融面积的比例由下面的等式定义。

熔融面积的比例＝(熔融面积小的金属的熔融面积/熔融面积大的金属的熔融面积)×100

所述熔融面积的比例可以控制到小于10％、8％以下、或6％以下。而且，所述熔融面积的比例为0％以上是指两种母体材料均熔融并且被焊接。

在一个优选的实施方案中，所述方法还可以包括通过测量所述焊接部分的拉伸强度来预先确定焊接部分是否是弱焊接。弱焊接的基准可以根据金属的种类或用途而变化，因此可以根据需要适当地确定。

通常，通过测量焊接部分的拉伸强度来确认不同金属之间的焊接程度。如图2中所示，弱焊接可以通过拉伸强度来确认，但是过度焊接难以与正常焊接区分开来。过度焊接会提高金属间化合物(imc)的含量，从而不利地影响长期可靠性。imc易受电蚀和湿气的影响，并且imc连续暴露于这种气氛会扩大其面积并且产生裂缝和孔，从而降低焊接可靠性。

在本发明中，分析了正常焊接部分和过度焊接部分中的金属间化合物的含量，结果证实这两个焊接部分之间的金属间化合物的含量比例彼此不同，如图4中所示。

金属间化合物的含量的分析通过利用能够确定金属间化合物的分布和数量的电子背散射衍射(ebsd)和x射线衍射(xrd)来进行，这在韩国专利申请no.2015-0162633中公开，其全部公开内容通过引用并入本说明书中。

也就是说，所述金属间化合物的含量的测量可以包括：(a)对所述金属间化合物进行x射线衍射(xrd)分析以确定是否存在新形成的相及其类型的步骤；(b)对所述金属间化合物进行电子背散射衍射(ebsd)分析以得到菊池带并且映射整个图像的菊池带的步骤；和(c)将由其类型确定的相和由菊池带指示的信息匹配以确认所述金属间化合物的分布和相对于测量面积的所述相的分数的步骤。

首先，在步骤(a)中，所述金属间化合物通过x射线衍射(xrd)来分析，以确定存在新形成的相和新形成的相的类型。xrd是众所周知用于研究材料的晶体结构的技术。在xrd中，通过单色x射线束照射样品，并且测量衍射峰的位置和强度。具体的散射角和散射强度取决于待分析的样品的晶格平面和占据平面的原子。对于给定的波长(λ)和晶格平面距离(d)，当x射线以满足布拉格条件nλ＝2dsinθ(其中，n是散射级数)的角度(θ)入射到晶格平面上时观察到衍射峰。满足布拉格条件的角度(θ)称为布拉格角。由于应力、固体、溶剂或其它原因而在晶格平面中的扭曲是xrd光谱中可观察到的变化。xrd已经用于测量在半导体晶片上产生的结晶层的性能。

在步骤(a)中，当所述金属间化合物通过xrd来分析时，可以通过使用二维检测器的微衍射测量方法得到晶面的衍射峰。例如，通过xrd分析由铜和铝构成的金属间化合物，可以检测到总共4个相，即，al2cu、al4cu9、al和cu，由此可以确认是否存在新形成的相及其类型。

随后，在步骤(b)中，对所述金属间化合物进行电子背散射衍射(ebsd)分析以得到菊池带并且映射整个图像的菊池带。

ebsd是一种用于研究材料的晶体结构的分析仪，它以sem或fib为基础。也就是说，ebsd是与eds一起配备到sem或fib的附件。如果ebsd与eds一起安装在sem或fib中，则可以同时映射晶体取向和化学组成。更具体地，通过利用ebsd，sem或fib的加速电子在晶体样品中被衍射以根据荧光屏上的晶体取向形成菊池带或电子背散射图案，并且形成的菊池带或图案用于分析样品的晶体学特性(晶体取向和晶粒尺寸等)。

当入射电子束由于非弹性碰撞而损失非常小的能量并且再次进行衍射时，会出现菊池图案，这些图案用于晶体取向分析中。与xrd类似，虽然不能同时测量样品中晶粒的整体取向分布，但是它们的映射函数非常有用，因为它可以提供sem观察区域中所有晶粒的取向分布。通过使用与材料的晶体结构相关的数据库，确定测量的图案为最相似的值。此外，当与eds一起安装时，可以同时映射晶体取向和化学组成。如果难以通过晶体取向和晶体结构来区分相，则可以使用eds测量信息来简单分类。另外，sem图像用于确认样品的形状，并且ebsd的映射信息出现在sem图像上。另一方面，整个图像的映射意味着将以像素为单位表示的各个菊池图案与晶体结构数据库匹配，以将其结果呈现在sem图像上。

接下来，在步骤(c)中，将由其种类确定的相和由菊池带指示的信息匹配，以确认金属间化合物的分布和相对于测量面积的分数。当在测量位置存在类似菊池图案的晶体结构数据库时，数据库可以与xrd结果值匹配以选择精确的晶体结构，从而提高分析可靠性。

图5是示出imc面积与金属熔融面积的比例的关系的图。图6是示出金属熔融面积的测量方法和金属熔融面积的比例的ebsd图像。

在图5的图中，y轴表示金属间化合物的含量(％)，x轴表示焊接的不同金属各自的熔融面积的比例。图5示出了焊接铜和铝的情况，并且熔融面积的比例是通过公式[cu的熔融面积/al的熔融面积]×100得到的值。图6示出了从ebsd图像测量cu的熔融部分和al的熔融部分的各自面积的方法和不同比例的ebsd图像。

根据图5中示出的结果，可以看出，当面积的比例为10％以上时发生过度焊接。因此，优选的面积比小于10％、小于8％、小于约6％、或小于5.57％。

在下文中，将参考实施例更详细地描述本发明。对于本领域技术人员显而易见的是，以下实施例旨在说明本发明，而不应解释为限制本发明的范围。

实施例

1.通过激光焊接铝和铜来制备金属间化合物。激光焊接由ipg2kw光纤激光器进行，其中，将线能量(＝输出/速度)改变为7.5j/mm、10j/mm和12.5j/mm，从而制备三个样品：弱焊接(约4％)、正常焊接(约8％)和过度焊接(约12％)。

2.使用universaltensilestrengthtester(j1-106)以10mm/min测量制备的三个样品的拉伸强度。其结果示于图2中。此外，使用相同的测试仪测量三个样品的剥离强度，其结果示于图3中。从图2和图3中可以看出，过度焊接的拉伸强度与正常焊接的拉伸强度类似，但是其剥离强度迅速降低。也就是说，即使用很小的力也可以容易地被剥离掉。

3.通过xrd仪器在以下条件下分析金属间化合物，并且确认是否存在新形成的相及其种类。

xrd的仪器和分析条件：使用合适的样品架将样品用双面胶安装后，适当移动brukeraxsd8discoverxrd(电压：50kv，电流：1000μa，cukα照射波长：)的x、y和z驱动器，使激光束照射到测量位置上，然后采用耦合θ-2θ测量模式将θ12.5度探测器(vantec-500：2-d检测器)设置在25度，从而以25度的间隔测量3帧(每帧1,200秒)。

4.金属间化合物通过ebsd在以下条件下分析以得到菊池带(测量条件：30kev，测量面积：约1,000,000μm²，可以根据sem的放大倍数调整)，测量像素尺寸：0.2～1.5μm(可调)。

5.将xrd和ebsd的测量结果进行匹配以进行分析，并且将其结果示于图4中。“％”表示基于整个图像中的对应相表示的像素数目的百分比。图4示出了基于正常焊接和过量焊接样品的相映射的测量面积的百分比。在图4中，例如，alcu(2/1)表示al2cu1的原子比。此外，alcu(1/3_β)和alcu(1/3_γ)具有类似的原子比，但是它们形成的相是不同的。零解表示在fib的光束尺寸内没有相或两个以上相的情况。

6.为了改变cu和al的熔融面积，将线能量改变为10j/mm(5％)、11.5j/mm(10％)和12.5j/mm(20％)以制备样品，然后进行。根据金属熔融面积的ebsd图像示在图6中。

根据上述结果，可以确认，通过将不同金属的激光焊接过程中熔融部分的面积的比例控制到预定水平以下，可以减少金属间化合物的产生。结果，能够用于不同金属的激光焊接设计和方法的反馈，并且可以使金属间化合物最小化，从而确保焊接部分的机械和电气可靠性。