CN103692147B - 互不固溶金属的直接键合连接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种互不固溶金属的直接键合连接工艺。通过对钼和铜表面进行前处理，叠合后准确选择加压退火时的温度，使退火温度接近于铜的熔点温度，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接，连接强度达到了203MPa，满足性能要求。本发明不采用中间金属层，可避免第三方元素对材料性能的影响，简化了工艺，提高了连接效率。本发明的关键在于采用接近于互不固溶金属中低熔点金属一方熔点的温度进行键合退火。

Description

互不固溶金属的直接键合连接工艺

技术领域

 本发明属于一种金属连接的技术，特别是涉及一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，具体为互不固溶金属钼与铜的直接键合连接。

背景技术

受控热核聚变能有望成为新世纪主要能源之一，其中等离子体面对材料（PFMs）是核聚变工程的关键材料（部件）。钼金属由于具有较高的熔点、良好的热导率、低蒸汽压以及低溅射侵蚀产量成为了等离子面对材料的候选材料，而铜金属则由于良好的热导率用于核聚变装置的热沉材料，对等离子面对材料和热沉进行连接即对钼和铜进行连接是核聚变研究中的一个需要攻克的技术。

目前，常见的金属连接方法主要有熔焊、钎焊和铆接等等。这些连接方式可分为两类：第一类是机械连接，比如铆接、通过螺钉连接等，这类连接方式基于机械结构、外力实现连接，但是没有实现金属间的扩散，即没有实现冶金结合，这类连接很难用于核聚变装置中；第二类为扩散连接，例如熔焊、钎焊、键合等，目前这类连接方法还局限于互相固溶的合金体系，利用了加热促使原子之间发生扩散、熔合实现不同金属之间的连接。而对于互不固溶金属之间的生成热为正值，很难发生扩散而实现合金化，直接利用扩散、熔合来实现连接难度很大。

对于互不固溶层状金属的连接方法，目前主要是采用与两种待连接金属均固溶的金属作为中间层，利用中间层与两种待连接金属的相互扩散实现连接。例如，将镍作为中间层，然后在800℃高温下施加一定压力或进行热轧来实现钼、铜两种材料的连接，显然这种方法改变了钼/铜连接件的实际成分，会带来附加的性能（如镍会带来铁磁性）。除采用中间层金属之外，近年来还出现了一种所谓的“辐照损伤合金化”的方法来连接互不固溶金属，如对钼/银金属之间的连接（CN 201110008862.5）。连接时首先是在钼金属表面进行离子注入，然后进行无氰电镀银，再通过氩气保护下的高温退火实现钼、银两种金属的直接连接，钼/银界面上也实现了冶金结合。但这种方法依赖于离子注入技术，工艺繁琐，连接效率有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，特别是互不固溶金属钼、铜的直接键合连接。通过对钼和铜表面进行前处理，叠合后准确选择加压退火时的温度，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接。本发明连接强度达到了203MPa，可满足核聚变装置的性能要求。

本发明提供的互不固溶金属钼、铜直接键合连接工艺主要包括了以下步骤：

1）钼板和铜箔的前处理。钼板前处理包括了去油、清洗、刻蚀、超声波清洗等步骤，其过程为：将用酒精洗过的钼板浸入去油液中浸泡，取出后放入去离子水中清洗；然后将经过去油清洗的钼板放入刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀结束后浸入去离子水中浸泡，然后在去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用。铜箔不进行刻蚀，只进行去油清洗，其工序与钼板相同。

2）钼/铜叠装配加压。将经过前处理的钼板和铜箔叠合后，上下面依次分别盖上石英片和铌板，然后四角上用扭矩扳手拧紧钼制螺栓（规格为M8）加压，扭矩为40~60N·m。加上石英片的目的在于防止钼/铌，铌/铜之间发生作用。

3）键合退火。将加压好的额样品放入气氛炉中进行氩气保护退火。退火温度选择在850                                                1050，接近铜的熔点温度，保温时间控制在2-2.5小时。

本发明进行以下测试：

1）钼与铜键合界面形貌扫描电子显微镜（SEM）观察。

2）钼/铜层状键合连接件的成分俄歇能谱（AES）分析。

3）钼/铜的键合连接强度测试。

本发明提供了一种互不固溶金属的直接键合连接工艺。该直接键合连接方法的关键在于采用接近于互不固溶金属中低熔点金属一方熔点的温度进行键合退火。通过对钼和铜表面进行前处理，叠合后准确选择加压退火时的温度，使退火温度接近于铜的熔点温度，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接。本发明不采用中间金属层和离子注入方法直接实现了两种互不固溶金属的连接，可避免第三方元素对材料性能的影响，不会改变连接件的实际成分及产生附加性能，连接效率较高，可操作性也较好。本发明连接强度达到了203MPa，可满足核聚变装置的性能要求。

附图说明

图1：本发明钼/铜连接件的结构示意图。

图2：本发明钼/铜直接键合连接所用的加压装置示意图。

图3：本发明使用的扭矩扳手图。

图4：本发明钼/铜连接件的截面形貌观察SEM图。

图5：本发明钼/铜连接件的成分俄歇能谱（AES）分析图。

图6：本发明拉伸试验过程示意图。

图7：本发明钼/铜连接件拉伸强度测试曲线。

图8: 本发明中键合方式连接的钼/铜材料拉伸断口图。

具体实施方式

本发明结合具体实施方式和附图作详细描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商说明书所建议的条件。

图1为直接键合连接的钼/铜连接件的结构示意图，其中，1－钼金属，厚度为1mm；2－铜金属，厚度为30m。

1、钼金属表面去油、清洗

将用酒精清洗过的两块长20mm×宽 10mm×厚1mm 的钼金属板完全浸入1L去油液（37%浓盐酸50mL+98%浓硫酸50mL+蒸馏水）中浸泡3分钟后，取出后浸入去离子水中清洗5分钟，清洗进行3次。

2、铜金属表面清洗

用酒精清洗长20mm×宽 10mm×厚30m的铜箔，然后将铜箔浸入去离子水中浸泡15分钟，然后取出浸泡在去离子水中超声波清洗25分钟（超声频率50Hz，温度为30℃），清洗后取出晾干待用。

3、钼金属表面刻蚀

将经过去油处理并用去离子水清洗的钼板浸泡在1L刻蚀液（37%浓盐酸 150mL+98%浓硫酸150mL+蒸馏水+80g三氧化铬）中刻蚀10分钟，取出浸入去离子水中清洗15分钟，然后取出浸泡在去离子水中超声波清洗25分钟（超声频率50Hz，温度为30℃），清洗后取出晾干待用。

4、钼、铜叠合装配加压

将经过前处理的钼板和铜箔叠合后，上下盖上用酒精清洗过的石英片，采用图2所示的加压装置和图3所示的扭矩扳手进行加压。附图2所示的加压装置使用规格为160mm160mm1mm的铌板和钼制螺栓装配成。其中，3-上铌板，4-下铌板，5-钼制加压螺栓（规格为M8），6-石英板，7-钼板，8-铜箔。加压前，使用酒精清洗加压装置中铌板表面，然后再放入盖好了叠合试样，四角上用扭矩扳手拧紧钼制螺栓加压，扭矩设置为50N·m。

5、键合退火

扭矩达到50N·m后，撤除扭矩扳手，随后将试样和加压装置放入气氛保护炉中进行退火，退火温度选择为950℃，保护气氛为氩气，退火时间为2h。退火过程的升降温情况为：以5℃每分钟的升温速率升至250℃，在250℃保温10分钟，然后以6.5℃每分钟的升温速率升至950℃，在950℃下保温2小时，保温结束后开始降温，降温方式为随炉冷却。

退火结束后，松开加压装置，即可获得钼/铜之间的连接件。

6、钼/铜连接件截面形貌的SEM观察

图4为钼/铜连接件截面形貌的SEM图，图中9-钼层，10-铜层。从图中可以看出钼与铜的键合界面连接紧密，钼与铜通过直接键合的方法连接成了一个整体。

7、钼/铜连接件成分俄歇能谱分析

由于俄歇能谱仪剥离深度有限，测试之前将钼铜连接件的铜金属层打磨至厚度接近1m左右，测试时铜层在上、钼层在下，俄歇能谱仪从铜层开始剥离。图5为钼/铜连接件的成分俄歇能谱分析，深度方向为从铜到钼。从图中可以看出钼与铜之间成功的实现了相互扩散，获得了冶金结合。

8、钼/铜连接件的连接强度测试

拉伸试样准备。在钼/铜连接件钼一侧再用上述工艺直接键合连接上一片长20mm×宽20mm×厚30m的铜箔。然后在连接件的铜箔上用锡焊垂直焊接上两个同轴的铜钩，如图6所示。其中，11-拉伸载荷，12-铜钩，13-焊点，8-铜箔，7-钼板。

拉伸试验。在电子万能试验机（型号为CSS-44100，长春试验机所生产）进行拉伸测试。拉伸载荷加在试样的铜钩上，拉伸速度为1 mm/min，拉伸至铜/钼界面断裂，记录此时的最大载荷，拉伸曲线见附图7。用光学显微镜观察拉伸断口并拍下断口形貌照片，见附图8。用Image-Pro Plus软件（美国Media Cybernetics公司图像分析软件）测量断口面积。将最大载荷除以断口面积，即获得钼/铜连接件的连接强度，结果如表1所示，连接强度满足使用要求。

 表1 ：钼/铜金属层状复合材料拉伸测试结果

试样	最大载荷/N	断口面积/mm2	界面结合强度/MPa
				1#	651	3.2	203

本发明提供了一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，通过准确选择加压退火时的温度，使退火温度接近于互不固溶金属体系中低熔点金属一方的熔点，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接。该直接键合连接工艺不仅适合于钼/铜体系，也适合于其它含有低熔点金属在内的互不固溶金属体系连接。

Claims (7)

1.一种互不固溶金属钼与金属铜的直接键合连接工艺，其特征在于包括以下步骤：

1）钼板和铜箔的前处理：将用酒精洗过的钼板浸入去油液中浸泡，取出后放入去离子水中清洗；然后将经过去油清洗的钼板放入刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀结束后浸入去离子水中浸泡，然后在去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用；铜箔进行去油清洗，取出后放入去离子水中清洗，晾干待用；

2）钼/铜叠装配加压：将经过前处理的钼板和铜箔叠合后，上下面依次分别盖上石英片和铌板，然后四角上用扭矩扳手拧紧钼制螺栓加压；

3）键合退火：将加压好的样品放入气氛炉中进行氩气保护退火，保温时间控制在2-2.5小时。

2.按照权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤3）退火温度选择在850℃ 1050℃，保温时间为2小时。

3.按照权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤2）所述加压方式为：采用扭矩扳手拧紧铌板上四角的钼制螺栓，规格为M8，进行加压；扭矩为40~60N·m。

4.按照权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤3）所述退火过程所采用的退火温度为950℃。

5.按照权利要求4所述的工艺，其特征在于所述退火过程为：以5℃每分钟的升温速率升至250℃，在250℃保温10分钟，然后以6.5℃每分钟的升温速率升至950℃，在950℃下保温2小时，保温结束后开始降温，降温方式为随炉冷却。

6.按照权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的刻蚀液组成为：37%浓盐酸 150mL+98%浓硫酸150mL+蒸馏水+80g三氧化铬。

7.按照权利要求1所述的工艺，其特征在于所获钼/铜连接件的键合连接强度为203MPa。