CN102658411B - 高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法 - Google Patents

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法 Download PDF

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Abstract

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，涉及一种铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法。是要解决现有钎焊方法连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金存在工艺复杂、成本高、连接温度高、接头残余应力大的问题。方法：一、对铝基复合材料与低膨胀合金的待焊面进行表面清理；二、在低膨胀合金的待焊面涂覆金属层；三、将低膨胀合金和铝基复合材料的待焊面进行搭接，钎料放置在搭接接头侧面，组成待焊件；四、将待焊件加热，超声波振动，加热，保温，接头处施加压力，同时进行超声波振动，炉冷至室温，即完成超声钎焊。本发明工艺简单、成本低、连接温度低、接头残余应力大。用于钎焊领域。

Description

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法。
背景技术
高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，具有较高的比刚度，比强度且导热性好，热膨胀系数低，密度较低等特点，在电子封装中有着广泛的应用前景。高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料有望替代可伐合金，不仅能够实现封装外壳减重，提高其改善热传导性能。但是由于电子封装器件封装的要求，高体积分数铝基复合材料还不能完全替代可伐合金，在工艺上还必须能够实现高体积分数铝基复合材料与可伐合金的异种材料连接。
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与可伐合金等低膨胀合金的连接方法主要为钎焊方法。其中铝基复合材料表面氧化膜的严重影响钎料的铺展及润湿，且高体积分数复合材料表面存在较多的碳化硅颗粒，碳化硅颗粒与钎料润湿也影响其结合强度。
在已公开的专利《微电子封装用铝碳化硅复合材料与可伐合金的钎焊方法》(公开号CN 101502904A)中提出了使用钎剂并在保护气氛下钎焊采用Al-Ag-Cu共晶焊料连接铝基复合材料与可伐合金，当复合材料表面含有SiC颗粒时，需要预先化学镀Ni层。该方法使用的钎剂腐蚀性小，易于去除，且得到钎缝能够满足电子封装器件的性能要求，但是需要使用钎剂并在一定气氛条件下钎焊，还需要预先金属化处理，工艺较复杂，成本高。其连接温度高(540-590℃)，超过了复合材料的软化温度，且剪切强度较低(65MPa)。
在已公开的专利《高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与可伐合金异种材料的硬钎焊方法》(公开号CN 101733497A)中提出了使用Al-Cu-Si-Ag-Mg-Ni钎料，真空条件下钎焊高体积分数铝基复合材料和可伐合金。该方法无需金属化处理，且连接强度高，但是其连接需要真空气氛，成本较高，且连接温度也较高(560℃)。
在已公开的专利《高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与可伐合金的钎焊方法》(公开号CN 101733498A)中提出了，使用钎剂并在保护气氛下采用Zn-Cd-Ag-Cu连接高体积分数铝基复合材料与可伐合金，并且连接前母材均需要预先化学镀Ni层。该方法连接强度高，但是需要使用钎剂并在一定气氛条件下连接，还需要预先金属化处理，工艺较复杂，成本高。且钎剂具有较强的腐蚀性，不易清除干净。钎料中的Cd元素有较大的毒性，对环境和人体有较大的危害。
综上所述，钎焊方法能够实现高体积分数碳化硅增强铝基复合材料与低膨胀合金的连接。但是连接前的预先金属化处理，连接中的特殊保护气氛，连接后的钎剂清理，均增加了工艺的复杂性和成本，且其使用的铝基或锌基合金钎料的线膨胀系数为两种母材的2～3倍，因此连接得到的接头存在较大的残余应力。
发明内容
本发明是要解决现有钎焊方法连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金存在工艺复杂、成本高、连接温度高、接头残余应力大的问题，提供高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法。
本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，按以下步骤进行：一、对铝基复合材料与低膨胀合金的待焊面进行表面清理；二、在步骤一得到的低膨胀合金的待焊面上放置金属，加热至金属熔化后，施加超声波振动0.5～60s，冷却后形成金属层，将金属层机械加工至厚度为0.1～0.5mm；三、将步骤二处理后的低膨胀合金和步骤一清理后的铝基复合材料的待焊面进行搭接，铝基复合材料置于下方，调整低膨胀合金和铝基复合材料的间隙大小至50～500μm，钎料放置在搭接接头侧面的铝基复合材料上方，组成待焊件；四、将待焊件加热至400～550℃，将超声头放置于铝基复合材料表面，进行超声波振动0.5～60s，然后将待焊件继续加热使温度提高10～100℃，保温1～60min，在接头处施加0.2～1MPa的压力，同时再进行超声波振动0.5～60s，炉冷至室温，即完成铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；步骤二中所述金属为纯锌、纯铝、锌合金或铝合金。
本发明有益效果如下：
1、本发明采用超声波辅助能够破除氧化膜，促进钎料与母材的润湿，连接温度低且操作方便，无需使用钎剂和特殊保护气氛，降低了工艺的复杂性和成本；
2、本发明得到的钎缝是钎料合金为基体均匀分布着碳化硅颗粒的复合材料，它的线膨胀系数低(约为10～15×106/K)，使得接头残余应力低(无碳化硅颗粒增强的接头的残余应力约为50-60MPa，含有30％体积分数碳化硅颗粒增强的接头的残余应力约为10-20MPa)，有助于提高接头的连接强度和尺寸稳定性；
3、本发明得到的钎缝组织致密，无裂纹、气孔等宏观缺陷，形成牢固的冶金结合；
4、本发明得到的钎缝的剪切强度为110～145MPa。
附图说明
图1为具体实施方式十中超声钎焊方法的示意图，其中1为因瓦合金4J36，2为金属层，3为铝基复合材料55％SiC/A356Al，4为钎料，5为超声头，6为加热热源；图2为具体实施方式十中超声钎焊方法获得的钎缝的显微组织形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，按以下步骤进行：一、对铝基复合材料与低膨胀合金的待焊面进行表面清理；二、在步骤一得到的低膨胀合金的待焊面上放置金属，加热至金属熔化后，施加超声波振动0.5～60s，冷却后形成金属层，将金属层机械加工至厚度为0.1～0.5mm；三、将步骤二处理后的低膨胀合金和步骤一清理后的铝基复合材料的待焊面进行搭接，铝基复合材料置于下方，调整低膨胀合金和铝基复合材料的间隙大小至50～500μm，钎料放置在搭接接头侧面的铝基复合材料上方，组成待焊件；四、将待焊件加热至400～550℃，将超声头放置于铝基复合材料表面，进行超声波振动0.5～60s，然后将待焊件继续加热使温度提高10～100℃，保温1～60min，在接头处施加0.2～1MPa的压力，同时再进行超声波振动0.5～60s，炉冷至室温，即完成铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；步骤二中所述金属为纯锌、纯铝、锌合金或铝合金。
本实施方式方法尤其适用于对体积分数为45％～75％的高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料与因瓦合金或可伐合金等低膨胀合金的工件进行钎焊。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中对铝基复合材料的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#和500#的水砂纸逐级打磨铝基复合材料的待焊面，再用2.5μm的金刚石抛光剂抛光，然后放入丙酮中超声波清洗10min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中对低膨胀合金的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#、500#、1000#和1500#的水砂纸逐级打磨低膨胀合金的待焊面，然后放入丙酮中超声波清洗10min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中将金属层机械加工至厚度为0.3mm。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述钎料为锌基钎料或熔点低于520℃的铝基钎料，其中锌基钎料为纯锌或Al的质量分数为10％～50％的锌铝合金；所述钎料为箔状、棒状或丝状。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中将待焊件加热至450～500℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中将待焊件继续加热使温度提高30～80℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中将待焊件继续加热使温度提高50℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二和步骤四中所述超声波振动的频率为20～100KHz，振幅为1～10μm。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，按以下步骤进行：一、对铝基复合材料55％SiC/A356Al与因瓦合金4J36的待焊面进行表面清理；二、在步骤一得到的因瓦合金4J36的待焊面上放置金属，加热至金属熔化后，施加超声波振动20s，冷却后形成金属层，将金属层机械加工至厚度为0.3mm；三、将步骤二处理后的因瓦合金4J36和步骤一清理后的铝基复合材料55％SiC/A356Al的待焊面进行搭接，铝基复合材料55％SiC/A356Al置于下方，调整因瓦合金4J36和铝基复合材料的间隙大小至150μm，钎料放置在搭接接头侧面的铝基复合材料55％SiC/A356Al上方，组成待焊件；四、将待焊件加热至450℃，将超声头放置于铝基复合材料55％SiC/A356Al表面，进行超声波振动20s，然后将待焊件继续加热使温度提高50℃，保温10min，在接头处施加0.5MPa的压力，同时再进行超声波振动20s，炉冷至室温，即完成铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊，其中步骤二中所述金属为纯锌。
步骤一中对铝基复合材料55％SiC/A356Al的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#和500#的水砂纸逐级打磨铝基复合材料55％SiC/A356Al的待焊面，再用2.5μm的金刚石抛光剂在宇宙牌MP-1A金相试样磨抛机上抛光，然后放入丙酮中超声波清洗10min。
步骤一中对因瓦合金4J36的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#、500#、1000#和1500#的水砂纸逐级打磨因瓦合金4J36的待焊面，然后放入丙酮中超声波清洗10min。
步骤二和步骤四中所述超声波振动的频率为50KHz，振幅为5μm。
本实施方式使用的钎料由4.6wt.％的Al、0.4wt.％Si和95wt.％Zn组成。
本实施方式超声钎焊方法的示意图如图1所示，其中1为因瓦合金4J36；2为金属层；3为铝基复合材料55％SiC/A356Al；4为钎料；5为超声头；6为加热热源。
本实施方式超声钎焊方法获得的钎缝的显微组织形貌图如图2所示。由图2可以看出钎缝组织致密，形成牢固的冶金结合，且钎缝中弥散均匀分布了较多碳化硅颗粒。本实施方式方法得到的接头剪切强度在110～145MPa。本实施方式方法得到的接头含有30％体积分数碳化硅颗粒，接头的残余应力约为10～20MPa。

Claims (9)

1.高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，按以下步骤进行：一、对铝基复合材料与低膨胀合金的待焊面进行表面清理；二、在步骤一得到的低膨胀合金的待焊面上放置金属，加热至金属熔化后，施加超声波振动0.5～60s，冷却后形成金属层，将金属层机械加工至厚度为0.1～0.5mm；三、将步骤二处理后的低膨胀合金和步骤一清理后的铝基复合材料的待焊面进行搭接，铝基复合材料置于下方，调整低膨胀合金和铝基复合材料的间隙大小至50～500μm，钎料放置在搭接接头侧面的铝基复合材料上方，组成待焊件，所述钎料为锌基钎料或熔点低于520℃的铝基钎料；四、将待焊件加热至400～550℃，将超声头放置于铝基复合材料表面，进行超声波振动0.5～60s，然后将待焊件继续加热使温度提高10～100℃，保温1～60min，在接头处施加0.2～1MPa的压力，同时再进行超声波振动0.5～60s，炉冷至室温，即完成铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊；其中步骤一中所述铝基复合材料为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；步骤二中所述金属为纯锌、纯铝、锌合金或铝合金。
2.根据权利要求1所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤一中对铝基复合材料的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#和500#的水砂纸逐级打磨铝基复合材料的待焊面，再用2.5μm的金刚石抛光剂抛光，然后放入丙酮中超声波清洗10min。
3.根据权利要求1或2所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤一中对低膨胀合金的待焊面进行表面清理的具体方法为：采用150#、500#、1000#和1500#的水砂纸逐级打磨低膨胀合金的待焊面，然后放入丙酮中超声波清洗10min。
4.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤二中将金属层机械加工至厚度为0.3mm。
5.根据权利要求4所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于所述步骤三中锌基钎料为纯锌或Al的质量分数为10%～50%的锌铝合金；所述钎料为箔状、棒状或丝状。
6.根据权利要求5所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤四中将待焊件加热至450～500℃。
7.根据权利要求6所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤四中将待焊件继续加热使温度提高30～80℃。
8.根据权利要求6所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤四中将待焊件继续加热使温度提高50℃。
9.根据权利要求7所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与低膨胀合金的超声钎焊方法，其特征在于步骤二和步骤四中所述超声波振动的频率为20～100KHz，振幅为1～10μm。
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