CN103934589A - 用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，属于焊接技术领域，具体涉及用于玻璃、陶瓷、金属之间的复合钎焊料。本发明采用复合钎焊粉料经各种机械加工手段制备成为丝状或带状焊料，或在粉料中加入粘结剂均匀混合成膏状焊料，复合钎焊粉料中有金、锡粉末和铝基准晶合金粉末，铝基准晶合金粉末的质量含量占钎焊料总质量的1-10%，金与锡粉末的含量占钎焊料总质量的90-99%；铝基准晶合金粉末为Al-Cu-Fe，Al-Cu-Co，Al-Cu-Ni等中的任一中或几种的混合物；粉末粒径为100nm-50μm。本复合钎焊料利用准晶合金粉体作为添加剂，提高焊缝的均匀性，杜绝孔隙的产生，阻止中间硬脆相的生产，增强焊缝的抗热疲劳性，提高了钎焊的气密性能和焊接接头的强度。

Description

用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种用于玻璃与玻璃、陶瓷与陶瓷之间，玻璃或陶瓷与金属之间的复合钎焊料。

背景技术

现有技术中，对于玻璃与玻璃、陶瓷与陶瓷之间，玻璃或陶瓷与金属之间的连接通常是使用低温的钎焊焊接方法，所使用的钎焊焊料为金（Au）锡（Sn）合金焊料，因为金锡焊料具有强度高，抗氧化性能好，抗热疲劳和蠕变性优良，熔点低，流动性能好等特点。但是由于Au是IB族的元素，Sn是IVA族元素， Au和Sn的扩散机制是间隙机制，扩散速度很快，金锡二元合金相图很复杂，存在许多中间相，并且这些中间相都是硬脆相，因此往往会影响到钎焊接头的质量，例如，强度较差，气密性能达不到要求等，特别是在光电子封装的使用中尚不能满足使用要求。

    随着光电子器件的快速发展，对高质量的低温焊接材料的需求也越来越大，如何提高现有的金锡焊料的焊接性能至今仍是一个技术难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种用于玻璃与玻璃、陶瓷与陶瓷之间，或玻璃、陶瓷与金属之间的铝基准晶复合钎料，由于铝基准晶具有独特的表面性能，如表面的抗氧化性能，润湿性能；其热传性能特殊曲线，随温度的变化，导热系数而变化；以及具有很好的力学性能，强度高且塑性好，这些都使得铝基准晶在封接领域有很好的应用。 混合铝基准晶合金的金锡焊料将会杜绝焊缝中孔隙的产生，减少硬脆相的发生，增强焊缝的抗热疲劳性，从而得到具有高气密性能、高强度的焊接接头。

本发明的目的通过以下技术方案实现。一种用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，采用复合钎焊粉料经机械加工制备成为丝状或带状焊料，或在复合钎焊粉料中加入粘结剂均匀混合成膏状焊；所述复合钎焊粉料由金属金粉末、金属锡粉末和铝基准晶合金粉末构成，三者质量百分比：

金属金粉末            72-80%，

金属锡粉末            18-20%，

铝基准晶合金粉末      1-10%，

所述金属金、金属锡粉末的颗粒直径范围均为100nm-50μm；所述铝基准晶合金的粉末的颗粒直径范围为100nm-50μm。

所述金属金粉末、金属锡粉末和铝基准晶合金粉末的优先质量百分比：

金属金粉末            76%，

金属锡粉末            19%，

铝基准晶合金粉末      5%。

所述铝基准晶合金粉末为Al-Cu-Fe、Al-Cu-Co或Al-Cu-Ni中的任一种或几种的混合物，其中：

Al-Cu-Fe铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

   Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Fe      5-15%；

Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Co      5-15%；

Al-Cu-Ni铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Ni    5-15%。

所述粘结剂的加入质量占复合钎焊粉料质量的10- 25%。

所述粘结剂采用乙基纤维素的松油醇溶液、三乙醇胺、PVB系列或正癸醇。

本发明的用于陶瓷或玻璃的低温钎焊的铝基准晶合金复合钎焊料，利用铝基准晶合金粉体作为添加剂，通过铝基准晶合金在钎焊焊接过程中的作用，杜绝孔隙的产生，减少了中间硬脆相的生长，促使钎焊过程中晶体相和结构发生变化，使钎焊层更加均匀，结构更合理，从而增加焊料的润湿性，增强焊缝的抗热疲劳性，提高钎焊缝的气密性能、焊接接头的强度。

本发明的用于陶瓷或玻璃的低温钎焊的铝基准晶复合钎焊料，由于添加了具有和陶瓷热性能相似的铝基准晶合金颗粒，使得钎焊焊料具有更良好热膨胀系数匹配，预定位功能粘度较高，钎焊缝的厚度均匀性能控制得更好。本发明的复合钎焊料的熔点温度在280℃以上、焊接温度为340℃。由于本复合钎焊料用于钎焊时的温度低，因此可以在保护气氛下进行，例如氮气，氩气等惰性气体下,还可以充点氢气作为一定的还原气氛，甚至可以使用手套箱和加热平台，降低了对钎焊设备的要求，使钎焊过程更容易实现和更容易操作，从而降低气氛焊接的成本，提高了工作效率。

本发明的用于陶瓷或玻璃的低温钎焊的铝基准晶合金复合钎焊料，能够方便地应用在半导体、光电子封装上，尤其是，在光通讯窗口、红外窗口等各种窗口封装中的应用能够满足使用要求。

 

具体实施方式

本发明的钎焊料由复合钎焊粉料经各种机械加工手段制备成为丝状或带状，或在复合钎焊粉料中加入粘结剂均匀混合成膏状构成，复合钎焊粉料中有金、锡粉末和铝基准晶合金粉末，铝基准晶合金粉末的质量含量占钎焊料总质量的1-10%，金与锡粉末的含量占钎焊料总质量的90-99%；铝基准晶合金粉末为Al-Cu-Fe，Al-Cu-Co，Al-Cu-Ni等中的任一中或几种的混合物；其中：Al-Cu-Fe铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

   Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Fe      5-15%；

Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Co      5-15%；

Al-Cu-Ni铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Ni    5-15%。

在金属金与锡的混合粉末中，其粒径为100nm-50μm，金粉与锡粉的质量比为（3-4.5）：1；陶瓷粉末的粒径为100nm-50μm。下面通过实施例做进一步描述（下述各例中的铝基准晶合金的粉末中各元素按质量百分比范围配制）。

实施例1  制备膏状的铝基准晶合金复合钎焊料

1．分别准备金属金粉末、金属锡粉末和AL-Cu-Fe铝基准晶合金的粉末，使三者的颗粒粒径均为100nm-500 nm（ 0.1μm -0.5μm）范围内；

2．取上述准备好的金属金粉末8.5克，金属锡粉末2克，AL-Cu-Fe铝基准晶合金粉末0.2克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基合金复合钎焊料；

3．在上述粉状的铝基准晶合金复合钎焊料中加入1.8克乙基纤维素的松油醇溶液（粘结剂），再继续搅拌均匀，得到膏状的铝基准晶合金复合钎焊料成品。

以下对上述膏状的铝基准晶合金复合钎焊料产品作应用试验：

需钎焊焊接的两块材料是：陶瓷与金属可伐合金，钎焊温度为340℃，焊接过程在氮保护气氛中，同时冲入一定量的氢气进行，得到均匀焊缝。经检测，该焊缝无任何孔隙，焊缝材质均匀，强度达到450MPa以上，抗热循环性能好。

实施例2  制备膏状的铝基准晶合金复合钎焊料

1．分别准备金属金粉末、金属锡粉末和Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末，使Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末的颗粒粒径为500nm-2500 nm（ 0.5μm -2.5μm）范围内，金属金粉、金属锡粉的颗粒粒径在800-2000 nm范围内；

2．取上述准备好的金属金粉末8克，金属锡粉末2克，Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末0.35克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基准晶合金复合钎焊料；

3．在上述粉状的铝基准晶合金复合钎焊料中加入 2 克三乙醇胺（粘结剂），再继续搅拌均匀，得到膏状的铝基准晶合金复合钎焊料成品。

实施例3  制备带状的铝基准晶合金复合钎焊料

1．分别准备金属金粉末、金属锡粉末和Al-Cu-Ni铝基准晶合金粉末，使三者的颗粒粒径均为400nm-5000 nm（ 0.4μm -5.0μm）范围内；

2．取上述准备好的金属金粉末8克，金属锡粉末2克，Al-Cu-Ni铝基准晶合金粉末0.13克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基准晶合金复合钎焊料；

3．将上述粉料置于粉末冶金机械装置中压制成3mm×0.2mm （截面长×宽）的带状产品;或者制备成需要的焊接片的形状。

以下对上述带状的铝基准晶合金复合钎焊料产品作应用试验：

需钎焊焊接的两块材料是：陶瓷与玻璃 ，钎焊温度为340℃，得到焊缝的厚度均匀，材质均匀，经检测，该焊缝无任何孔隙，而且焊接强度高于460MPa，抗热循环性能好。

实施例4  制备带状的铝基准晶合金复合钎焊料

1．分别准备金属金粉末、金属锡粉末和Al-Cu-MnFe铝基准晶合金粉末，使陶瓷粉末的颗粒粒径均为1000nm-10000 nm（ 1.0μm -10μm）范围内；金属粉的颗粒直径为3000-3500nm（ 3.0μm -3.5μm）范围内。

2．取上述准备好的金属金粉末8克，金属锡粉末2克，Al-Cu-MnFe铝基准晶合金粉末0.4克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基准晶合金复合钎焊料；

3．将上述粉料置于粉末冶金机械装置中压制成1mm×0.15mm（截面）带状，得到带状产品；或者制备成需要的焊接片的形状。

实施例5  制备纳米陶瓷复合钎焊料的粉料

1．分别准备金属金粉末、金属锡粉末和Al-Cu-MnFe铝基准晶合金粉末，使陶瓷的颗粒粒径均为500nm-15000 nm（ 0.5μm -15μm）范围内；金属粉的颗粒直径为4500-10000nm（ 4.5μm -10μm）范围内。

2．取上述准备好的金属金粉末8克、金属锡粉末2克、Al-Cu-MnFe铝基准晶合金末0.35克、Al-Cu-Fe铝基准晶合金粉末0.35克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基准晶合金复合钎焊料。

3．根据使用需求，再将粉料制备成带状或膏状。

实施例6  制备膏状的铝基准晶合金复合钎焊料

1 分别准备金属金粉末、金属锡粉末和由Al-Cu-Fe  Al-Cu-Co  Al-Cu-Ni三者混合而成的铝基准晶合金粉末，使该铝基准晶合金粉末的颗粒粒径为500nm-2500 nm（ 0.5μm -2.5μm）范围内，其中三种铝基合金粉末的比例为（1:1:1），金属金粉末、金属锡粉末的颗粒粒径在800-2000 nm范围内；

2．取上述准备好的金粉8克，锡粉2克，三种铝基准晶合金混合粉末0.35克混合后放入混料机中搅拌使其混合均匀，即得到粉状的铝基准晶合金复合钎焊料；

3．在上述粉状的铝基准晶合金复合钎焊料中加入 2 克三乙醇胺（粘结剂），再继续搅拌均匀，得到膏状的铝基准晶合金复合钎焊料成品。

Claims (5)

1.一种用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，采用复合钎焊粉料经机械加工制备成为丝状或带状焊料，或在复合钎焊粉料中加入粘结剂均匀混合成膏状焊；其特征在于：所述复合钎焊粉料由金属金粉末、金属锡粉末和铝基准晶合金粉末构成，三者质量百分比：

金属金粉末            72-80%，

金属锡粉末            18-20%，

铝基准晶合金粉末      1-10%，

所述金属金、金属锡粉末的颗粒直径范围均为100nm-50μm；所述铝基准晶合金的粉末的颗粒直径范围为100nm-50μm。

2.如权利1所述的用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，其特征在于：所述金属金粉末、金属锡粉末和铝基准晶合金粉末的优先质量百分比：

金属金粉末            76%，

金属锡粉末            19%，

铝基准晶合金粉末      5%。

3.如权利1所述的用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，其特征在于：

所述铝基准晶合金粉末为Al-Cu-Fe、Al-Cu-Co或Al-Cu-Ni中的任一种或几种的混合物；其中：

Al-Cu-Fe铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

   Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Fe      5-15%；

Al-Cu-Co铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Co      5-15%；

Al-Cu-Ni铝基准晶合金粉末的各元素之间的质量百分比：

Al      50-70%，

Cu      15-35%，

Ni    5-15%。

4.如权利1所述的用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，其特征在于，所述粘结剂的加入质量占复合钎焊粉料质量的10-25%。

5.如权利4所述的用于陶瓷或玻璃的铝基准晶合金复合钎焊料，其特征在于，所述粘结剂采用乙基纤维素的松油醇溶液、三乙醇胺、PVB系列或正癸醇。