CN106735672A - 金属间化合物接头的室温超声制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属间化合物接头的室温超声制备方法，包括：将钎料层预置于硬质母材之间，并将接头装配在夹具上，所述钎料层的熔点低于所述硬质母材的熔点；在室温条件下，将超声焊杆作用于所述母材表面并先后施加压力和超声振动，振动结束后继续保持压力，待所述钎料层完全凝固时取出所述接头，完成钎焊过程。本发明提供的金属间化合物接头的室温超声制备方法，在焊接过程中形成的金属间化合物的熔点通常要高于钎料层的熔点，因此该制备方法可以在较低的焊接温度下制备具有较高熔点的接头。通过该方法制备金属间化合物接头时，焊接过程在室温环境下进行，避免了其他制备金属间化合物接头方法中必需的高温加热过程。
Description
技术领域
本发明涉及硬质材料间的钎焊技术领域，特别涉及一种金属间化合物接头的室温超声制备方法。
背景技术
随着工业应用要求的不断提高，以及新材料的不断涌现，对材料的连接技术提出了更高的要求。软钎焊工艺是一种很有应用前景的材料连接方法。然而，受低温钎料合金本身熔点的限制，形成的钎焊接头在高温环境下服役时很容易发生接合强度恶化的现象，个别情况下，环境温度超过钎料熔点时，甚至可能引起钎料接头发生重熔使接头失效的问题。
一般的获得高熔点接头的方法是使用具有较高熔点的钎料合金，但由于有毒元素、互连可靠性不佳、成本偏高等原因，这些高温钎料合金的实际应用受到了很大限制。另一部分研究者另辟蹊径，希望从焊接工艺上入手，如利用过渡液相焊接技术，借助延长熔化钎料与金属焊盘的冶金反应时间，制备高熔点金属间化合物或固溶体接头，然而由于合金元素扩散过程缓慢，该方法常需要较长的焊接时间，实际应用中既降低了生产效率也容易由于附加热应力的作用对接头的可靠性产生不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属间化合物接头的室温超声制备方法，以解决使用具有较高熔点的钎料合金不易制造高熔点接头的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种金属间化合物接头的室温超声制备方法，包括：将钎料层预置于硬质母材之间，并将接头装配在夹具上，所述钎料层的熔点低于所述硬质母材的熔点；在室温条件下，将超声焊杆作用于所述母材表面并先后施加压力和超声振动，振动结束后继续保持压力，待所述钎料层完全凝固时取出所述接头，完成钎焊过程。
进一步地，所述钎料层的厚度为10-100μm。
进一步地，所述硬质母材的材质为金属、陶瓷、金属基或带有金属基镀层的复合材料。
进一步地，位于所述钎料层上下的两层硬质母材为同质材料或异质材料。
进一步地，所述硬质母材的形状为片状、板状、棒状或管状。
进一步地，超声振动的频率为18-60kHz，超声振动时间为2-120s，超声振动方向平行于所述硬质母材表面。
进一步地，超声焊杆作用于母材表面施加的压力为0.2-5MPa。
进一步地，所述钎料层的材料为低温钎料合金箔或纯金属钎料箔。
本发明提供的金属间化合物接头的室温超声制备方法，在焊接过程中形成的金属间化合物的熔点通常要高于钎料层的熔点，因此该制备方法可以在较低的焊接温度下制备具有较高熔点的接头。通过该方法制备金属间化合物接头时，焊接过程在室温环境下进行，避免了其他制备金属间化合物接头方法中必需的高温加热过程；施加于母材表面的超声振动在钎料层和金属母材界面处引起的摩擦运动对母材表面的氧化层和污染物有破碎和清除作用，因此无需使用助焊剂；在焊接过程中超声对钎料和母材间界面的冶金反应起促进作用，本发明提供的方法可以在短时间内快速形成金属间化合物接头。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的金属间化合物接头的室温超声制备方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例提供的由Cu/Sn/Cu材料体系形成金属间化合物接头的室温超声制备结构示意图；
图3为本发明实施例提供的由Si/Sn/Si材料体系形成金属间化合物接头的室温超声制备结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种金属间化合物接头的室温超声制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的金属间化合物接头的室温超声制备方法，在焊接过程中形成的金属间化合物的熔点通常要高于钎料层的熔点，因此该制备方法可以在较低的焊接温度下制备具有较高熔点的接头。通过该方法制备金属间化合物接头时，焊接过程在室温环境下进行，避免了其他制备金属间化合物接头方法中必需的高温加热过程；施加于母材表面的超声振动在钎料层和金属母材界面处引起的摩擦运动对母材表面的氧化层和污染物有破碎和清除作用，因此无需使用助焊剂；在焊接过程中超声对钎料和母材间界面的冶金反应起促进作用，本发明提供的方法可以在短时间内快速形成金属间化合物接头。
图1为本发明实施例提供的金属间化合物接头的室温超声制备方法的步骤流程示意图。参照图1，本发明实施例提供一种金属间化合物接头的室温超声制备方法，包括以下步骤：
S11、将钎料层预置于硬质母材之间，并将接头装配在夹具上，所述钎料层的熔点低于所述硬质母材的熔点；
S12、在室温条件下，将超声焊杆作用于所述母材表面并先后施加压力和超声振动，振动结束后继续保持压力，待所述钎料层完全凝固时取出所述接头，完成钎焊过程。
在本发明实施例中，所述钎料层的厚度为10-100μm，所述钎料层的材料为低温钎料合金箔或纯金属钎料箔，进一步地，其中，低温钎料合金箔的厚度为10-100μm，纯金属钎料箔的厚度为10-50μm；所述硬质母材的材质为金属、陶瓷、金属基或带有金属基镀层的复合材料，位于所述钎料层上下的两层硬质母材可以为同质材料或异质材料，所述硬质母材的形状可以为片状、板状、棒状或管状。
进一步地，超声振动的频率为18-60kHz，超声振动时间为2-120s，超声振动方向平行于所述硬质母材表面，超声焊杆作用于母材表面施加的压力为0.2-5MPa。
实施例一
图2为本发明实施例提供的由Cu/Sn/Cu材料体系形成金属间化合物接头的室温超声制备结构示意图。参照图2，取厚度为25μm、尺寸为3mm×3mm的纯度为99.9%的锡钎料片21置于无水乙醇中进行超声波清洗，然后风干待用；取两片尺寸为3mm×3mm×0.3mm的纯铜片，将锡钎料片21置于第一铜母材22和第二铜母材23之间，并将组装后的接头置于带有限制夹具的下声极24上。将上声极25作用于第一铜母材22表面并施加0.6MPa的压强，随后开启超声振动，超声振动的频率、功率和时间分别为20kHz、750W和3s，超声振动方向平行于铜母材的上表面，超声振动将在钎料层和金属母材界面处引起摩擦运动，通过摩擦产热使钎料层受热熔化，超声振动结束后，停止加热并继续对接头保持压力，待接头中的钎料合金完全凝固时取出接头，完成钎焊过程。
从接头的显微组织分析表明，在形成的接头中原本的钎料中间层锡钎料片21已完全被冶金反应耗尽，在两侧铜基板间形成了一层致密的CuSn层，形成完全的金属间化合物接头。力学性能测试表明，接头的剪切失效发生在CuSn层中，测得的平均剪切强度值为53.7MPa。
实施例二
图3为本发明实施例提供的由Si/Sn/Si材料体系形成金属间化合物接头的室温超声制备结构示意图。参照图3，取厚度为20μm、尺寸为4mm×4mm的纯度为99.9%锡钎料片31置于无水乙醇中进行超声波清洗，然后风干待用。
取两片尺寸为4mm×4mm×0.4mm的带有50 nm (Ti)/50 nm (Ni)/5 μm (Cu)镀层的硅片，将锡钎料片31置于第一硅母材32和第二硅母材33之间，并将组装后的接头置于带有限制夹具的下声极34上。将上声极35作用于第一硅母材32表面并施加0.6MPa的压强，随后开启超声振动，超声振动的频率、功率和时间分别为20kHz、750W和4s，超声振动方向平行与硅母材的上表面。超声振动结束后，停止加热并继续对接头保持压力，待接头中的钎料合金完全凝固时取出接头，完成钎焊过程。
接头的显微组织分析表明，在形成的接头中原本的钎料中间层锡钎料片31已完全被冶金反应耗尽，在两侧Cu基板间形成了一层致密的CuSn层，形成完全的金属间化合物接头。力学性能测试表明，接头的剪切失效发生在CuSn层中，测得的平均剪切强度值为65.8Mpa。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，包括：
将钎料层预置于硬质母材之间，并将接头装配在夹具上，所述钎料层的熔点低于所述硬质母材的熔点；
在室温条件下，将超声焊杆作用于所述母材表面并先后施加压力和超声振动，振动结束后继续保持压力，待所述钎料层完全凝固时取出所述接头，完成钎焊过程。
2.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，所述钎料层的厚度为10-100μm。
3.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，所述硬质母材的材质为金属、陶瓷、金属基或带有金属基镀层的复合材料。
4.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，位于所述钎料层上下的两层硬质母材为同质材料或异质材料。
5.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，所述硬质母材的形状为片状、板状、棒状或管状。
6.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，超声振动的频率为18-60kHz，超声振动时间为2-120s，超声振动方向平行于所述硬质母材表面。
7.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，超声焊杆作用于母材表面施加的压力为0.2-5MPa。
8.如权利要求1所述的金属间化合物接头的室温超声制备方法，其特征在于，所述钎料层的材料为低温钎料合金箔或纯金属钎料箔。
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