Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.

알루미늄 리본과 구리 시트의 레이저 용접에 대한 조사 : 용접성, 미세 구조, 기계적 및 전기적 특성

Won‐Sang Shin 1,†, Dae‐Won Cho 2,†, Donghyuck Jung 1, Heeshin Kang 3, Jeng O Kim 3, Yoon‐Jun Kim 1,*
and Changkyoo Park 3,*

Al 리본과 Cu 시트의 펄스 레이저 용접은 전력 전자 모듈의 전기적 상호 연결에 대해 조사되었습니다. 결함 없는 Al / Cu 조인트를 얻기 위해 레이저 출력, 스캔 속도 및 열 입력이 서로 다른 다양한 실험 조건이 사용되었습니다. Al / Cu 레이저 용접 중에 금속 간 화합물이 용접 영역에 형성되었습니다. 전자 탐침 마이크로 분석기와 투과 전자 현미경으로 Al4Cu9, Al2Cu, AlCu 등으로 밝혀진 금속 간 화합물의 상을 확인했습니다. 전산 유체 역학 시뮬레이션은 Marangoni 효과가 용융 풀의 순환을 유도하여 혼합물을 생성하는 것으로 나타났습니다. Al과 Cu의 결합과 Al / Cu 조인트에서 소용돌이 모양의 구조 형성. Al / Cu 접합부의 인장 전단강도와 전기 저항을 측정하였으며 용접 면적과 강한 상관 관계를 보였다. Al / Cu 접합부의 용접 면적이 증가함에 따라 기계적 강도의 감소와 전기 저항의 증가가 측정 되었습니다. 또한 무결점 Al / Cu 접합을 위한 공정 창을 개발하고 Al / Cu 레이저 브레이즈 용접을 위한 실험 조건을 조사하여 Al / Cu 접합에서 금속 간 화합물 형성을 최소화했습니다.

Introduction

전기 상호 연결은 전력 전자 모듈을 패키징하는 데 중요합니다. 우수한 기계적 및 전기적 특성을 가진 견고한 전기적 상호 연결은 전력 전자 모듈의 전기적 고장을 방지하는 데 필수적입니다. 저항 스폿 용접, 브레이징, 납땜 및 초음파 용접 (USW)이 전기 상호 연결에 사용되었습니다.

납땜과 납땜 모두 저온 공정으로 인해 접합부에서 한계 변형과 잔류 응력이 발생합니다 [1]. 필러 합금은 두 공정 모두 견고한 전기 접촉을 달성하는 데 필수적입니다. 따라서 조인트는 서로 접촉하는 서로 다른 금속으로 구성됩니다.

결과적으로 조인트는 부식 환경에서 갈바닉 부식에 취약 할 수 있습니다 [2,3]. 더욱이, 비금속과 충전재 사이의 친화도를 고려해야 하기 때문에 제한된 충전재 만 특정 조인트에 사용할 수 있습니다 [1]. USW는 용접 온도가 낮고 용접 시간이 짧기 때문에 접합부의 변형이 비교적 적습니다.

따라서 이는 특히 연질 재료 (예 : Al, Cu, Ag, Au 및 Ni)의 경우 기존 접합 방법을 대체하고 있습니다 [4–6]. 그러나 Cu를위한 USW 공정의 경우, 표면 산화물이 강해 용접성이 저하되는 것을 방지하기 위해 Cu 표면에 Sn 또는 Ni 코팅이 필요하며, 이는 공정 속도를 늦추고 산업적 응용을위한 경제적 측면을 악화시킨다 [7 , 8].

레이저 용접은 쉬운 제어, 고정밀 및 원격 처리의 특성으로 인해 전력 전자 모듈의 전기 연결에 대한 유망한 후보입니다. 열의 영향을 받는 작은 영역과 변형은 전기 접점의 손상을 최소화 할 것으로 예상됩니다 [9-11]. 또한 레이저 용접을 위해 추가 표면 준비가 필요하지 않습니다.

이종 재료의 용접은 산업 응용 분야에서 중요했습니다. 더욱이 그림 1 [12,13]에서 볼 수 있듯이 전기 연결을위한 와이어 또는 리본 본딩에 여러 다른 조인트가 필요하기 때문에 전력 전자 모듈에서 필수적인 기술이되고 있습니다.

전기 접점의 다양한 조합 중에서 Al과 Cu는 높은 전기 전도성으로 인해 전기 연결에 중요한 재료로 종종 간주됩니다 [14]. 그러나 Al과 Cu의 서로 다른 용접은 금속 간 화합물 (IMC)의 형성을 촉진하고 동시에 Al / Cu 조인트의 기계적 및 전기적 특성에 영향을 줍니다. 일반적으로 Al / Cu 조인트 내부에 IMC가 있으면 연성 및 전기 저항에 해를 끼치므로 균열이 쉽게 발생하고 용접을 통한 전기 전도도를 방해합니다 [15,16].

따라서 견고한 Al / Cu 조인트를 얻으려면 IMC의 형성을 피해야합니다. 여러 연구에서 Al 및 Cu 시트의 레이저 빔 용접을 조사했습니다. 연속파 (CW) 레이저가 Al / Cu 조인트에 사용되었습니다 [17-23]. 큰 열 입력과 상당한 IMC 형성으로 인해 용접 영역에서 많은 균열이 관찰되었습니다 [18,19].

CW 레이저 빔의 공간 진동은 Al / Cu 조인트의 용접 품질을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 직선 CW 레이저 빔 [18-20]과 비교하여 용접 영역에서 IMC 크기가 더 작은 기공과 균열이 더 적습니다.

Al과 Cu 시트의 겹침 접합에는 CW 단일 모드 파이버 레이저를 사용했으며, IMC 형성을 억제하여 높은 용접 속도 (즉, 50m / min)에서 견고한 Al / Cu 접합을 얻었습니다 [22]. Mai et al. [23]은 다른 Al / Cu 용접을 달성하기 위해 펄스 레이저를 사용했습니다.

그들은 Al / Cu 용접성이 레이저 공정 매개 변수에 크게 의존한다는 것을 밝혔으며 100mm / min 미만의 스캔 속도에서 균열없는 Al / Cu 접합을 달성하는 데 성공했습니다.

본문 내용 생략 : 문서 하단부의 원문보기를 참고하시기 바랍니다.

Figure 1. Schematic diagram of the insulated gate bipolar transistors (IGBT) power module. Red‐dotted box indicated the electrical connections
Figure 1. Schematic diagram of the insulated gate bipolar transistors (IGBT) power module. Red‐dotted box indicated the electrical connections
Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.
Figure 2. Experimental setups for the (a) Al/Cu overlap joint and (b) laser welding process.
Figure 3. Schematic diagram of the numerical simulation domain and boundary conditions.
Figure 3. Schematic diagram of the numerical simulation domain and boundary conditions.
Figure 4. Experimental setup for the four‐point electrical resistance measurement.
Figure 4. Experimental setup for the four‐point electrical resistance measurement.
Figure 5. Cross‐sectional OM image of the Al/Cu joints in parallel to the laser welding direction. The laser power and scan speed were set at 2300 W and 20 mm/s, respectively.
Figure 5. Cross‐sectional OM image of the Al/Cu joints in parallel to the laser welding direction. The laser power and scan speed were set at 2300 W and 20 mm/s, respectively.
Figure 6 shows the cross‐sectional SEM images of the Al/Cu joints, and corresponding EPMA element mapping of Al and Cu for the (a) 23/20, (b) 25/28.6, (c) 25/15.4, and (d) 27/20.
Figure 6 shows the cross‐sectional SEM images of the Al/Cu joints, and corresponding EPMA element mapping of Al and Cu for the (a) 23/20,
Figure 6. Cross‐sectional SEM image and elemental distribution mapping of Al and Cu elements for the (a) 23/20, (b) 25/28.6, (c) 25/15.4, and (d) 27/20.
Figure 6. Cross‐sectional SEM image and elemental distribution mapping of Al and Cu elements for the (d) 27/20.
Figure 7. EPMA line scan analysis and identification of the IMCs for the (a) 23/20 and (b) 25/15.4.
Figure 7. EPMA line scan analysis and identification of the IMCs for the (a) 23/20 and (b) 25/15.4.
Figure 8. TEM analysis for the 25/28.6. (a) Indicating the location of TEM analysis in SEM image of the welding zone. (b) TEM bright‐field image and SAED pattern insets, examined at the location (1) in figure (a), confirmed Al‐rich phase (white globular shape) and Al2Cu eutectic phase (gray region), and (c) TEM bright‐field image and SAED pattern inset of Al4Cu9, examined at the location (2) in figure (a).
Figure 8. TEM analysis for the 25/28.6. (a) Indicating the location of TEM analysis in SEM image of the welding zone. (b) TEM bright‐field image and SAED pattern insets, examined at the location (1) in figure (a), confirmed Al‐rich phase (white globular shape) and Al2Cu eutectic phase (gray region), and (c) TEM bright‐field image and SAED pattern inset of Al4Cu9, examined at the location (2) in figure (a).
Figure 9. Temperature profiles and molten pool flow on transverse cross‐section (y–z plane at x = 1.23 cm): (a) Negative surface tension gradient for the 23/20 (Case 1), (b) negative surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 2), (c) positive surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 3), and (d) without surface tension for the 25/15.4 (Case 4).
Figure 9. Temperature profiles and molten pool flow on transverse cross‐section (y–z plane at x = 1.23 cm): (a) Negative surface tension gradient for the 23/20 (Case 1), (b) negative surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 2), (c) positive surface tension gradient for the 25/15.4 (Case 3), and (d) without surface tension for the 25/15.4 (Case 4).
Figure 12. Results of the tensile shear tests for the (a) 23/20: fracture at the Al ribbon and (b) 25/15.4: fracture at the weld
Figure 12. Results of the tensile shear tests for the (a) 23/20: fracture at the Al ribbon and (b) 25/15.4: fracture at the weld
Figure 13. Stress–strain curves obtained by the tensile shear tests.
Figure 13. Stress–strain curves obtained by the tensile shear tests.

References

  1. Schwartz, M.M.; Aircraft, S. Introduction to Brazing and Soldering. ASM Int. 2018, 6, doi.org/10.31399/asm.hb.v06.a0001344.
  2. Vianco, P.T. Corrosion issues in solder joint design and service. Weld. J. 1999, 78, 39–46.
  3. Shi, Y.; Li, J.; Zhang, G.; Huang, J.; Gu, Y. Corrosion Behavior of Aluminum‐Steel Weld‐Brazing Joint. J. Mater. Eng. Perform.
    2016, 25, 1916–1923, doi:10.1007/s11665‐016‐2020‐9.
  4. Harman, G.G. Wire Bonding in Microelectronics: Materials, Processes, Reliability and Yield, 3rd ed; McGraw‐Hill Education: New
    York, NY, USA, 2010; ISBN 9780071642651.
  5. Aonuma, M.; Nakata, K. Dissimilar metal joining of ZK60 magnesium alloy and titanium by friction stir welding. Mater. Sci.
    Eng. B Solid State Mater. Adv. Technol. 2012, 177, 543–548, doi:10.1016/j.mseb.2011.12.031.
  6. Sasaki, T.; Watanabe, T.; Hosokawa, Y.; Yanagisawa, A. Analysis for relative motion in ultrasonic welding of aluminium sheet.
    Sci. Technol. Weld. Jt. 2012, 18, 19–24, doi:10.1179/1362171812Y.0000000066.
  7. Maeda, M.; Sato, T.; Inoue, N.; Yagi, D.; Takahashi, Y. Anomalous microstructure formed at the interface between copper ribbon
    and tin‐deposited copper plate by ultrasonic bonding. Microelectron. Reliab. 2011, 51, 130–136, doi:10.1016/j.microrel.2010.05.009.
  8. Maeda, M.; Yagi, D.; Takahashi, Y. Interfacial microstructure between copper ribbon and nickel‐coated copper plate formed by
    ultrasonic bonding. Q. J. Jpn. Weld. Soc. 2013, 31, 188–191, doi:10.2207/qjjws.31.188s.
  9. Sun, Z.; Ion, J.C. Laser welding of dissimilar metal combinations. J. Mater. Sci. 1995, 30, 4205–4214, doi:10.1007/BF00361499.
  10. Yan, S.; Hong, Z.; Watanabe, T.; Jingguo, T. CW/PW dual‐beam YAG laser welding of steel/aluminum alloy sheets. Opt. Lasers
    Eng. 2010, 48, 732–736, doi:10.1016/j.optlaseng.2010.03.015.
  11. Mehlmann, B.; Gehlen, E.; Olowinsky, A.; Gillner, A. Laser micro welding for ribbon bonding. Phys. Procedia 2014, 56, 776–781,
    doi:10.1016/j.phpro.2014.08.085.
  12. Nwanoro, K.C.; Lu, H.; Yin, C.; Bailey, C. An analysis of the reliability and design optimization of aluminium ribbon bonds in
    power electronics modules using computer simulation method. Microelectron. Reliab. 2018, 87, 1–14,
    doi:10.1016/j.microrel.2018.05.013.
  13. Li, H.; Cao, B.; Yang, J.W.; Liu, J. Modeling of resistance heat assisted ultrasonic welding of Cu‐Al joint. J. Mater. Process. Technol.
    2018, 256, 121–130, doi:10.1016/j.jmatprotec.2018.02.008.
  14. Davis, J.R. Copper and Copper Alloys. In ASM Speciality Handbook; ASM International: Almere, The Netherlands, 2001; ISBN
    2001022956
  1. Rabkin, D.M.; Ryabov, V.R.; Lozovskaya, A.V.; Dovzhenko, V.A. Preparation and properties of copper‐aluminum intermetallic
    compounds. Sov. Powder Metall. Met. Ceram. 1970, 9, 695–700, doi:10.1007/BF00803820.
  2. Chen, C.Y.; Chen, H.L.; Hwang, W.S. Influence of interfacial structure development on the fracture mechanism and bond
    strength of aluminum/copper bimetal plate. Mater. Trans. 2006, 47, 1232–1239, doi:10.2320/matertrans.47.1232.
  3. Schmidt, P.A.; Schweier, M.; Zaeh, M.F. Joining of lithium‐ion batteries using laser beam welding: Electrical losses of welded
    aluminum and copper joints. J. Laser Appl. 2012, 915, doi:10.2351/1.5062563.
  4. Smith, S.; Blackburn, J.; Gittos, M.; De Bono, P.; Hilton, P. Welding of dissimilar metallic materials using a scanned laser beam.
    J. Laser Appl. 2013, 493, doi:10.2351/1.5062921.
  5. Solchenbach, T.; Plapper, P. Mechanical characteristics of laser braze‐welded aluminium‐copper connections. Opt. Laser Technol.
    2013, 54, 249–256, doi:10.1016/j.optlastec.2013.06.003.
  6. Kraetzsch, M.; Standfuss, J.; Klotzbach, A.; Kaspar, J.; Brenner, B.; Beyer, E. Laser Beam Welding with High‐Frequency Beam
    Oscillation: Welding of Dissimilar Materials with Brilliant Fiber Lasers. Phys. Procedia 2011, 12, 142–149,
    doi:10.1016/j.phpro.2011.03.018.
  7. Solchenbach, T.; Plapper, P.; Cai, W. Electrical performance of laser braze‐welded aluminum‐copper interconnects. J. Manuf.
    Process. 2014, 16, 183–189, doi:10.1016/j.jmapro.2013.12.002.
  8. Lee, S.J.; Nakamura, H.; Kawahito, Y.; Katayama, S. Effect of welding speed on microstructural and mechanical properties of
    laser lap weld joints in dissimilar Al and Cu sheets. Sci. Technol. Weld. Jt. 2014, 19, 111–118, doi:10.1179/1362171813Y.0000000168.
  9. Mai, T.A.; Spowage, A.C. Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel‐kovar, copper‐steel and copper‐
    aluminium. Mater. Sci. Eng. A 2004, 374, 224–233, doi:10.1016/j.msea.2004.02.025.
  10. Zhang, G.; Takahashi, Y.; Heng, Z.; Takashima, K.; Misawa, K. Ultrasonic weldability of al ribbon to cu sheet and the dissimilar
    joint formation mode. Mater. Trans. 2015, 56, 1842–1851, doi:10.2320/matertrans.M2015251.
  11. Zhu, B.; Zhen, L.; Xia, H.; Su, J.; Niu, S.; Wu, L.; Tan, C.; Chen, B. Effect of the scanning path on the nanosecond pulse laser
    welded Al/Cu lapped joint. Opt. Laser Technol. 2021, 139, 106945, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106945.
  12. Kumar, A.; Gupta, M.P.; Banerjee, J.; Neogy, S.; Keskar, N.; Bhatt, R.B.; Behere, P.G.; Biswas, D.J. Micro‐Welding of Stainless
    Steel and Copper Foils Using a Nano‐Second Pulsed Fiber Laser. Lasers Manuf. Mater. Process. 2019, 6, 158–172,
    doi.org/10.1007/s40516‐019‐00088‐w.
  13. Trinh, L.N.; Lee, D. The Characteristics of Laser Welding of a Thin Aluminum Tab and Steel Battery Case for Lithium‐Ion
    Battery. Metals 2020, 10, 842, doi.org/10.3390/met10060842.
  14. Cho, D.W.; Park, J.H.; Moon, H.S. A study on molten pool behavior in the one pulse one drop GMAW process using
    computational fluid dynamics. Int. J. Heat Mass Transf. 2019, 139, 848–859, doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.038.
  15. Cho, W.I.; Na, S.J.; Cho, M.H.; Lee, J.S. Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser‐GMA hybrid welding.
    Comput. Mater. Sci. 2010, 49, 792–800, doi:10.1016/j.commatsci.2010.06.025.
  16. Cho, D.W.; Kiran, D.V.; Na, S.J. Analysis of molten pool behavior by flux‐wall guided metal transfer in low‐current submerged
    arc welding process. Int. J. Heat Mass Transf. 2017, 110, 104–112, doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.02.060.
  17. Cho, W.‐I.; Na, S.‐J. Impact of Wavelengths of CO2, Disk, and Green Lasers on Fusion Zone Shape in Laser Welding of Steel. J.
    Weld. Jt. 2020, 38, 235–240, doi:10.5781/jwj.2020.38.3.1.
  18. Sim, A.; Chun, E.J.; Cho, D.W. Numerical Simulation of Surface Softening Behavior for Laser Heat Treated Cu‐Bearing Medium
    Carbon Steel. Met. Mater. Int. 2020, 26, 1207–1217, doi:10.1007/s12540‐019‐00577‐9.
  19. Jarwitz, M.; Fetzer, F.; Weber, R.; Graf, T. Weld seam geometry and electrical resistance of laser‐welded, aluminum‐copper
    dissimilar joints produced with spatial beam oscillation. Metals 2018, 8, 510, doi:10.3390/met8070510.
  20. Weigl, M.; Albert, F.; Schmidt, M. Enhancing the ductility of laser‐welde copper‐aluminum connections by using adapted filler
    materia. Phys. Procedia 2011, 12, 335–341, doi:10.1016/j.phpro.2011.03.141.
  21. Chen, J.; Lai, Y.S.; Wang, Y.W.; Kao, C.R. Investigation of growth behavior of Al‐Cu intermetallic compounds in Cu wire
    bonding. Microelectron. Reliab. 2011, 51, 125–129, doi:10.1016/j.microrel.2010.09.034.
  22. Chen, H.; Yang, L.; Long, J. First‐principles investigation of the elastic, Vickers hardness and thermodynamic properties of Al‐
    Cu intermetallic compounds. Superlattices Microstruct. 2015, 79, 156–165, doi:10.1016/j.spmi.2014.11.005.
  23. Liu, H.J.; Shen, J.J.; Zhou, L.; Zhao, Y.Q.; Liu, C.; Kuang, L.Y. Microstructural characterisation and mechanical properties of
    friction stir welded joints of aluminium alloy to copper. Sci. Technol. Weld. Jt. 2011, 16, 92–99,
    doi:10.1179/1362171810Y.0000000007.
  24. Hug, E.; Bellido, N. Brittleness study of intermetallic (Cu, Al) layers in copper‐clad aluminium thin wires. Mater. Sci. Eng. A
    2011, 528, 7103–7106, doi:10.1016/j.msea.2011.05.077.
  25. Braunović, M.; Alexandrov, N. Intermetallic Compounds At Aluminum‐To‐Copper Electrical Interfaces: Effect of Temperature
    And Electric Current. IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. Part A 1994, 17, 78–85, doi:10.1109/95.296372.
  26. Lee, W.B.; Bang, K.S.; Jung, S.B. Effects of intermetallic compound on the electrical and mechanical properties of friction welded
    Cu/Al bimetallic joints during annealing. J. Alloys Compd. 2005, 390, 212–219, doi:10.1016/j.jallcom.2004.07.057.