鋁/銅液相擴散接合研究與應用

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機械工程學系

論文名稱

鋁/銅液相擴散接合研究與應用
(Study and application Al/Cu liquid phase diffusion bonding)

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摘要(中)

摘要
近年來電子及相關科技產業的快速發展，產品設計除了要求『輕、薄、短、小、多樣化』外，電子微處理器的運算速度及效能提昇已成為未來電子及電腦科技追求之設計目標，而影響電子零組件品質及壽命的散熱問題如何同步突破解決，儼然成為主要的關鍵技術。
鋁合金散熱器（Heat Sink）目前雖為提供電子元件最簡易且直接散熱的方式，當中央處理器（CPU）的工作頻率高達1G以上、發熱功率超過50W時選用銅製散熱器則較鋁合金優勢，而以純銅製又因其比重大、成本高而提高了3C產品之重量及成本。因此本實驗採以結合純銅及鋁合金結合，且以不添加填料或助銲劑方式進行鋁/銅複合接合之技術開發與研究。
接合完成的試件，分別利用SEM、EDX、XRD、EPMA觀察和分析接合界面及剪力試驗破斷面，機械性質方面則藉由MTS拉伸試驗機及維氏微硬度機，分析評估剪力強度值及接合界面硬度分佈的變化。
鋁銅液固擴散接合法在精確的溫度－時間控制下，形成共晶液相層反應，冷卻凝固後的擴散接合界面層內雖然形成AlCu、AlCuMg 等共晶化合物，造成熱傳導率的略微降低，但是比較於一般採用Sn-Ag填料之軟銲…等接合方法，鋁銅液固擴散接合的熱傳導率優異許多。同時其接合的剪力強度值可達到13Mpa以上，此一強度值可滿足在散熱元件的應用需求。

摘要(英)

ABSTRACT
Both electric and relation technology industrial develop fast in these years. The product design technology in addition to ask more and more the material with light weightiness, high specific strength and excellent heat scattering, the latest electric and computer design purpose emphasized increase calculate speed and effectiveness as well. It’s clearer that high temperature of radiator is key factor cause life and quality to debase. Thus, how to find out one giant solution to reduce temperature of radiator in the meanwhile is very important.
The Al alloy radiator can provide electric elements one simple and direct cooling method. Supposing CPU work frequency increase upon 1G bites simultaneously bring about a lot heat over 500W, Cu alloy is more better excellent than Al alloy. The property of pure Cu has high specific weight and high cost which easily raise product weight and cost. Thus, an experiment integrated Al alloy and Cu alloy, in the meantime without offer filler or flux during welding process on Al-Cu compound joint technology development and research.
The welded specimen utilize SEM, EDX, XRD, EPMA instrument to observe and analysis joint interface and fracture area passes through
shear test respectively. Depend on the MTS equipment and micro-hardness instrument evaluation shear strength value and micro-hardness value distribution on joint interface respectively.
The Al-Cu liquid-solid diffusion joint method based on precise temperature and time, create eutectic-liquid reaction lever. The cooled eutectic-liquid reaction lever formation existence eutectic compound like AlCu, AlCuMg which cause heat conduction to lower slightly, nevertheless, it’s still excellent than other method which add Sn-Ag filler during welding. Thus, the Al-Cu liquid-solid diffusion joint method has much heat conduction ability. It’s shear strength value on joint locate exceed 13Mpa. This value suffice certainty for apply to radiator.

關鍵字(中)

★ 硬銲
★ 散熱器
★ 液固擴散接合
★ 銅合金
★ 鋁合金
★ 軟銲

關鍵字(英)

★ Al alloy
★ Cu alloy
★ Soldering
★ Brazing
★ Heat Sink
★ liquid phase diffusion bonding

論文目次

目錄
第一章緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 2
第二章基本原理 4
2-1 擴散理論 4
2-2 擴散接合原理 6
2-2-1 固態擴散接合原理 6
2-2-2 材料界面接合過程 6
2-2-3 擴散接合控制參數 8
2-3 固液擴散接合 10
2-2-4 固液擴散接合基本原理 10
第三章實驗方法 11
3-1 實驗材料基本性質 11
3-1-1 AA6061鋁合金 14
3-1-2 C11000銅合金 15
3-2 實驗材料試片規劃 18
3-2-1 拉剪力試片 18
3-2-2 表面擴散現象觀察試片 20
3-3 固液擴散接合參數規劃 20
3-3-1 實驗參數 26
3-4 實驗設備 29
3-4-1 真空熱處理硬銲爐 29
3-4-2 CO2雷射切割機 30
3-4-3 立臥複合銑床 30
3-4-4 剪床 31
3-4-5 微硬度機 31
3-4-6 SEM光學顯微鏡 32
3-5 機械性質檢測 33
3-5-1 接合界面強度 33
3-5-2 接合界面硬度分佈 33
3-6 擴散接合界面組織觀察及分析 33
第四章結果與討論 34
4-1 機械性質 35
4-1-1 擴散接合界面剪力強度 35
4-1-2 擴散接合剪力強度∕伸長量∕擴散層交互關係比較 38
4-1-3 接合界面擴散反應層微硬度分佈 41
4-2 擴散接合界面組織、元素成分擴散分佈 45
4-2-1 擴散接合界面組織 45
4-2-2 及元素成分擴散分佈 49
4-2-3 接合界面化合物檢測 63
4-3 試片破斷面觀察 67
4-3-1 破斷面SEM觀察 68
4-4 表面擴散現象觀察 75
4-4-1 不同溫度試驗條件之表面擴散範圍比較 76
4-4-2 SEM觀察及EDX成分分析 78
4-5 鋁銅接合技術應用 87
4-5-1 鋁合金導波管與純銅接合 87
4-5-2 鋁合金蜂槽板（HONEY CORE）薄片與純銅接合 88
4-5-3 市售CPU散熱片與純銅片接合 89
4-5-4 純銅製CPU散熱片與鋁板接合 90
第五章結論 91
第六章參考文獻 93
圖錄
圖 2- 1 不同濃度A、B原子所構成相鄰之原子面 4
圖 2- 2 A、B原子擴散梯度變化 5
圖 2- 3 液相與固相在熱力學反應上相對能量的比較，（溫度函數）熱力學狀態的能量關係 5
圖 2- 4 材料界面擴散接合過程 7
圖2- 5 擴散接合壓力與時間之關係 9
圖3- 1 標準剪力試片示意圖 19
圖3- 2 擴散接合剪力試片示意圖 19
圖3- 3 擴散接合剪力試片搭接方式示意圖 19
圖3-4表面擴散現象觀察試片搭接示意圖 20
圖3-5鋁-銅合金二元相圖，共晶溫度548.2℃。 22
圖3-6 鋁-鎂二元相圖 23
圖3-7 鋁-矽二元相圖 23
圖3-8 鋁-銅-矽三元合金相圖 24
圖3-9 鋁-銅-矽三元合金相圖，共晶溫度524℃。 24
圖3-10 鋁-銅-鎂三元合金相圖，共晶溫度451℃。 25
圖 3- 11鋁系化合物共晶溫度 26
圖3- 12 真空熱處理硬銲爐 29
圖3-13 CO2雷射切割機 30
圖3-14 立臥複合銑床 30
圖3-15 剪床 31
圖3-16 微硬度機 31
圖3-17 高解析掃描式電子顯微鏡 32
圖3-18 電子微探針分析儀（EPMA） 32
圖4-1 試片夾持方式 35
圖4- 2 拉剪力試驗完成後試片外觀 36
圖4-3 剪力試驗的試片破斷面相片 36
圖4-4 不同接合參數條件接合強度剪力值比較 38
圖4- 5 剪力值與擴散反應層厚度比較 39
圖4-6 剪力值與伸長量比較 40
圖4-7 擴散反應層厚度與伸長量比較 40
圖4-8試片編號：A1鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 41
圖4-9試片編號：B1鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 42
圖4- 10試片編號：B2鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 42
圖4-11試片編號：C1鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 43
圖4-12試片編號：D1鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 43
圖4-13試片編號：D2鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 44
圖4-14試片編號：D3鋁銅擴散區微硬度分佈曲線 44
圖4-15 試件編號：B-1顯微組織，55X 45
圖4-16試件編號：B-1顯微組織，55X 46
圖4- 17 試件編號：B-2顯微組織，85X 46
圖4- 18 試件編號：C-1顯微組織，130X 47
圖4-19 試件編號：C-1顯微組織，450X 47
圖4- 20 試件編號：D-2顯微組織，350X 48
圖4-21 試件編號：D-3顯微組織，270X 48
圖4- 22 試件編號：A-1 反應層 49
圖4- 23 試件編號：A-1 反應層LINE SCAN 50
圖4-24 試件編號：B-1 反應層 51
圖4-25 試件編號：B-1 反應層LINE SCAN 52
圖4-26 試件編號：B-2 反應層 53
圖4-27 試件編號：B-2反應層LINE SCAN 54
圖4-28 試件編號：C-1 反應層 55
圖4- 29 試件編號：C-1 反應層LINE SCAN 56
圖4-30 試件編號：D-1 反應層 57
圖4-31 試件編號：D-1 反應層LINE SCAN 58
圖4-32 試件編號：D-2 反應層 59
圖4-33 試件編號：D-2反應層LINE SCAN 60
圖4-34 試件編號：D-3 反應層 61
圖4-35 試件編號：D-3 反應層LINE SCAN 62
圖4- 36試片編號：A-1 XRD檢測結果 63
圖4- 37試片編號：B-1 XRD檢測結果 64
圖4- 38試片編號：B-2 XRD檢測結果 64
圖4- 39試片編號：C-1 XRD檢測結果 65
圖4- 40試片編號：D-1 XRD檢測結果 65
圖4- 41試片編號：D-2 XRD檢測結果 66
圖4- 42試片編號：D-3 XRD檢測結果 66
圖4-43 劈裂型斷裂路徑示意圖 67
圖4-44 試片編號：A-1破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 68
圖4-45 試片編號：B-1破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 69
圖4- 46 試片編號：B-2破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 70
圖4-47 試片編號：C-1破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 71
圖4-48 試片編號：D-1破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 72
圖4-49 試片編號：D-2破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 73
圖4-50 試片編號：D-3破斷面，不同放大倍率SEM之觀察相片 74
圖4-51 AL、CU元素交互擴散方向示意圖 76
圖4-52 鋁合金中MG、SI元素移動聚集示意圖 76
圖4-53 表面擴散範圍實驗結果相片 77
圖4- 54表面擴散觀察SEM相片 78
圖4- 55 擴散區A－全區域之EDX成分分析 79
圖4- 56 EDX全區域成分分析 79
圖4- 57 擴散區A－白斑位置，EDX定點區域位置圖 81
圖4- 58 白斑位置之EDX定點區域成分分析 81
圖4- 59 擴散區A－無白斑位置，EDX定點區域位置圖 83
圖4- 60 無白斑位置之EDX定點成分分析 83
圖4- 61 擴散區A－表面顆粒析出物，EDX定點區域位置圖 85
圖4- 62 表面顆粒析出物之EDX定點成分分析 85
圖4- 63 鋁合金導波管與純銅板接合 87
圖4- 64 鋁合金蜂槽板（HONEY CORE）薄片與純銅接合完成相片 88
圖4- 65 CPU散熱片市售商品接合前 89
圖4- 66 CPU散熱片市售商品-接合完成後 89
圖4- 67 CPU散熱片市售商品-接合完成後 90
表錄
表1- 1 純銅與其他金屬導電率與導熱率之比較 2
表3- 1鍛造用鋁合金板材之化學成份（WT. %） 12
表3- 2常用金屬元素導電導熱物理性質 13
表3- 3鍛造用6061 T6鋁合金板材之化學成份（WT. %） 14
表3- 4鍛造用6061 T6鋁合金板材之機械性質 14
表3- 5鍛造用6061 T6鋁合金板材之物理性質 15
表3- 6表UNS銅金屬類別編號表 16
表3-7 UNS銅金屬類別材筫狀態之機械性質 17
表3-8電解銅允許最大電阻值，測試溫度20℃ 17
表3-9 退火銅導電率與電阻值等值對照表 18
表3-10 AL∕CU擴散接合實驗-溫度時間參數規劃表一 27
表3- 11 AL∕CU擴散接合實驗-溫度時間參數規劃表二 28
表4-1 鋁/銅接合剪力強度值（MPA） 37
表4- 2全區域成分分析與AA6061原材主要元素比較表 79
表4- 3 白斑位置定點區域與AA6061原材主要元素比較表 81
表4- 4 無白斑定點位置與AA6061原材主要元素比較表 84
表4- 5 表面顆粒析出物之定點位置與AA6061原材主要元素比較表 86

參考文獻

第六章參考文獻
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指導教授

顏炳華(Biing-Hua Yan)

審核日期

2004-7-3

推文