CN108907512B - 碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，包括原料表面处理，镓基金属涂覆及添加纳米金属粉等三个步骤，基于该镓基钎料进行碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接作业方法包括待焊面预处理和焊接作业等两个步骤。本发明所获得的钎料层度薄、成分均匀。钎料加热后与铝基复合材料的铝基体以及钎料中的Ga与纳米铜粉发生冶金反应，形成以CuAl2和CuGa2相为反应层的致密钎焊连接且成型良好、连续性好的钎缝。本发明获得的SiCp/Al复合材料真空钎焊接头可实现抗剪强度达56MPa、密封性达到10‑8Pa∙m3/s的性能指标，可广泛应用于封接T/R组件壳体以及其他铝基复合材料的应用领域。

Description

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备和使用方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备和使用方法，属于电子封装材料工程应用领域。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）因其具有高比强度、比刚度，高导热导电性，低密度和热膨胀系数可调等优良特性，在航空航天、武器装备等电子封装领域具有重要的应用前景。目前，SiCp/Al复合材料已经成为替代Kovar、W/Cu和Mo/Cu等传统电子封装材料的理想选择，其中相控阵雷达中多芯片T/R组件壳体便是其重要应用方向之一，然而高密封性是其应用的必要条件。

钎焊作为SiCp/Al复合材料连接技术中效果较好的一种重要连接方式，其连接界面包括铝基体/金属钎料界面（强连接界面）以及SiC颗粒/金属钎料界面（弱连接界面）。SiC颗粒在铝合金基体中作为增强相，本身的化学性质较不活泼，与铝基体的物理化学性质也有较大的差异，金属钎料在SiC颗粒表面的润湿性差，在焊接过程中易造成焊缝局部位置形成气孔、夹杂、微裂纹等缺陷，这将导致钎焊接头连接强度低、气密性差，从而限制了SiCp/Al复合材料在电子封装领域的推广使用。同时，如若钎焊温度过高（硬钎焊）将导致SiCp/Al复合材料本身组织中生成Al₄C₃脆性相，继而降低材料的使用性能。中温钎焊技术具有施焊温度较低的特点。因此，SiCp/Al复合材料采用在400~500℃进行钎焊可有效避免上述问题，并且节约生产成本。大量研究启示，SiCp/Al复合材料表面金属化、采用快速凝固钎料辅助真空软钎焊是实现高密封性连接的有效技术手段之一。但是对铝基复合材料进行真空钎焊的焊接过程复杂，钎料制备过程繁琐。本发明采用大气环境钎焊焊接的连接方式，既无需通入惰性气体，也无需抽至真空状态，焊接操作简便，节能降耗，最后实现有效的焊接连接。

发明内容

本发明目的就在于克服上述不足，提供一种SiC体积含量为15%的SiCp/Al复合材料中间层钎料制备方法及其钎焊方法，以解决钎焊温度过高对原材料组织的破坏、金属钎料与SiC颗粒润湿性差导致钎焊接头密封性差以及增加铝基复合材料钎焊简便性的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，原料表面处理，首先将纯度高于99.99%的镓单质表面进行打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质，且打磨后的镓单质表面光洁度为7级—13级；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行10~15秒的吹热，使镓金属表面软化，然后将预热后的金属镓对已经经过焊前处理的复合材料光洁表面擦涂，擦涂后复合材料表面镓金属层厚度为5—20µm，然后由温度为10℃—29℃表面抛光设备对复合材料表面的镓金属层进行抛光，抛光后镓金属层表面光洁度为7级—13级；

第三步，添加纳米金属粉，根据涂覆镓层的质量，按镓与金属粉间比例为2：0.3—1.8的比例，在已经涂覆好的镓层表面将纳米金属粉均匀的铺洒在镓层上，从而得到成品镓基钎料。

进一步的，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将加热后的镓金属表面在复合材料光洁表面擦拭，并使镓金属与复合材料光洁表面间压力为0.5—10千克，然后用表面温度为20℃—29℃的温软细布将复合材料表面镓层擦薄，擦拭时的对复合材料光洁表面压力为0.5—10千克。

进一步的，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将加热后温度为20℃—29℃的镓金属表面在复合材料光洁表面擦拭，其中擦拭时的对复合材料光洁表面压力为0.5—10千克，且擦涂作业保持镓金属表面表面温度恒定为20℃—29℃。

进一步的，第三步中镓层中所添加纳米金属粉为纳米铜粉、纳米锡粉等润湿性好的金属粉或合金粉中的任意一种，纳米金属粉的颗粒度为50—150nm。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料使用方法包括以下步骤：

第一步，待焊面预处理，首先对碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面进行抛光处理，抛光后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面光洁度为7级—13级，然后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料在清洗液中超声波清洗10~15分钟，然后将清洗后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料酒精中超声波清理5～10分钟，最后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料从酒精中取出并自然阴干待焊；

第二步，焊接作业，将镓基钎料置于两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面之间位置，并由夹具对两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料及镓基钎料进行夹持定位，构成焊接组合体，然后将定位后的焊接组合体至于电阻炉中进行钎焊，完成焊接后，焊接组合体在电阻炉中随炉冷却，冷却后取出并拆除夹具，即可完成对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行钎焊作业。

进一步的，第一步中清洗液为酒精与丙酮1：1—2.5比例混合液。

进一步的，第二步中夹具对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的夹持定位压力为3—6MPa。

进一步的，第二步中电阻炉钎焊温度为400℃~520℃，并在电阻炉内保温为1h—2h。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明采用中间层材料直接涂覆于复合材料面而后选用有五大效应并且与Al基体有良好润湿性的纳米铜粉制成钎料，所获得的钎料层度薄、成分均匀。钎料加热后与铝基复合材料的铝基体以及钎料中的Ga与纳米铜粉发生冶金反应，形成以CuAl₂和CuGa₂相为反应层的致密钎焊连接且成型良好、连续性好的钎缝。本发明获得的SiCp/Al复合材料真空钎焊接头可实现抗剪强度达56MPa、密封性达到10^-8Pa∙m³/s的性能指标，可广泛应用于封接T/R组件壳体以及其他铝基复合材料的应用领域。

附图说明

图1为本发明钎料制备方法流程示意图；

图2为本发明钎料焊接方法流程图；

图3为铝基复合材料表面上的镓金属涂层；

图4为钎焊接头部分微观组织金相图；

图5为钎焊接头部分微观组织金相图；

图6为焊接接头铜元素面部分扫描能谱分布图；

图7为焊接接头铝元素面部分扫描能谱分布图。

具体实施方式

实施例1

如图1—7所示，碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，原料表面处理，首先将纯度高于99.99%的镓单质表面进行打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质，且打磨后的镓单质表面光洁度为8级；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行15秒的吹热，使镓金属表面软化，然后将预热后的金属镓对已经经过焊前处理的复合材料光洁表面擦涂，擦涂后复合材料表面镓金属层厚度为5μm，然后由温度为15℃表面抛光设备对复合材料表面的镓金属层进行抛光，抛光后镓金属层表面光洁度为7级；

第三步，添加纳米金属粉，根据涂覆镓层的质量，按镓与金属粉间比例为2：1的比例，在已经涂覆好的镓层表面将纳米金属粉均匀的铺洒在镓层上，从而得到成品镓基钎料。

本实施例中，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将加热后温度为29℃的镓金属表面与复合材料光洁表面相抵，并使镓金属与复合材料光洁表面间压力为1千克，擦涂作业保持镓金属表面表面温度恒定。

本实施例中，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，首先将镓金属加热液化，然后将液态镓金属均匀涂布在细布表面，并维持细布表面温度为20℃，最后在用温软细布在复合材料光洁表面进行反复的擦拭，使细布表面镓金属转移到复合材料光洁表面，且擦拭时的对复合材料光洁表面压力为1千克。

本实施例中，第三步中镓层中所添加纳米金属粉为纳米铜粉，且颗粒度为50 nm。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料使用方法包括以下步骤：

第一步，待焊面预处理，首先对碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面进行抛光处理，抛光后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面光洁度为7级，然后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料在清洗液中超声波清洗10分钟，然后将清洗后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料酒精中超声波清理5分钟，最后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料从酒精中取出并自然阴干待焊；

第二步，焊接作业，将镓基钎料至于两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面之间位置，并由夹具对两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料及镓基钎料进行夹持定位，构成焊接组合体，然后将定位后的焊接组合体至于电阻炉中进行钎焊，完成焊接后，焊接组合体在电阻炉中随炉冷却，冷却后取出并拆除夹具，即可完成对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行钎焊作业。

本实施例中，第一步中清洗液为酒精与丙酮1：1比例混合液。

本实施例中，第二步中夹具对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的夹持定位压力为3MPa。

本实施例中，第二步中电阻炉钎焊温度为400℃~520℃，并在电阻炉内保温为2h。

通过以上步骤制备的镓基钎料，并以该镓基钎料对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行焊接作业后，所获得的钎焊接头可实现抗剪强度达到47MPa、密封性达到10^-8Pa∙m³/s的性能指标。

实施例2

如图1—7所示，碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，原料表面处理，首先将纯度高于99.99%的镓单质表面进行打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质，且打磨后的镓单质表面光洁度为13级；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行15秒的吹热，使镓金属表面软化，然后将预热后的金属镓对已经经过焊前处理的复合材料光洁表面擦涂，擦涂后复合材料表面镓金属层厚度为20µm，然后由温度为29℃表面抛光设备对复合材料表面的镓金属层进行抛光，抛光后镓金属层表面光洁度为13级；

第三步，添加纳米金属粉，根据涂覆镓层的质量，按镓与金属粉间比例为2：1.8的比例，在已经涂覆好的镓层表面将纳米金属粉均匀的铺洒在镓层上，从而得到成品镓基钎料。

本实施例中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将加热后温度为20℃的镓金属表面与复合材料光洁表面相抵，并使镓金属与复合材料光洁表面间压力为10千克，擦涂作业保持镓金属表面表面温度恒定。

本实施例中，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，首先将镓金属加热液化，然后将液态镓金属均匀涂布在细布表面，并维持细布表面温度为29℃，最后在用温软细布在复合材料光洁表面进行反复的擦拭，使细布表面镓金属转移到复合材料光洁表面，且擦拭时的对复合材料光洁表面压力为10千克。

本实施例中，第三步中镓层中所添加纳米金属粉为纳米锡粉，其颗粒度为150nm。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料使用方法包括以下步骤：

第一步，待焊面预处理，首先对碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面进行抛光处理，抛光后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面光洁度为13级，然后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料在清洗液中超声波清洗5分钟，然后将清洗后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料酒精中超声波清理10分钟，最后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料从酒精中取出并自然阴干待焊；

第二步，焊接作业，将镓基钎料至于两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面之间位置，并由夹具对两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料及镓基钎料进行夹持定位，构成焊接组合体，然后将定位后的焊接组合体至于电阻炉中进行钎焊，完成焊接后，将焊接组合体在电阻炉中随炉冷却，冷却后取出拆除夹具，即可完成对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行钎焊作业。

本实施例中，第一步中清洗液为酒精与丙酮1：2.5比例混合液。

本实施例中，第二步中夹具对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的夹持定位压力为6Mpa。

本实施例中，第二步中电阻炉钎焊温度为520℃，并在电阻炉内保温为1h。

通过以上步骤制备的镓基钎料，并以该镓基钎料对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行焊接作业后，所获得的钎焊接头可实现抗剪强度达到47MPa、密封性达到10^-8Pa∙m³/s的性能指标。

实施例3

如图1—7所示，碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，原料表面处理，首先将纯度高于99.99%的镓单质表面进行打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质，且打磨后的镓单质表面光洁度为10级；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行12秒的吹热，使镓金属表面软化，然后将预热后的金属镓通过平绒抛光布对已经经过焊前处理的复合材料光洁表面擦涂，擦涂后复合材料表面镓金属层厚度为10µm，然后由温度为15℃表面抛光设备对复合材料表面的镓金属层进行抛光，抛光后镓金属层表面光洁度为10级；

第三步，添加纳米金属粉，根据涂覆镓层的质量，按镓与金属粉间比例为2：1的比例，在已经涂覆好的镓层表面将纳米金属粉均匀的铺洒在镓层上，从而得到成品镓基钎料。

本实施例中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将加热后温度为23℃的镓金属表面与复合材料光洁表面相抵，并使镓金属与复合材料光洁表面间压力为5千克，擦涂作业保持镓金属表面表面温度恒定。

本实施例中，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，首相将镓金属加热液化，然后将液态镓金属均匀涂布在细布表面，并维持细布表面温度为26℃，最后在用温软细布在复合材料光洁表面进行反复的擦拭，使细布表面镓金属转移到复合材料光洁表面，且擦拭时的对复合材料光洁表面压力为8千克。

本实施例中，第三步中镓层中所添加纳米金属粉为纳米铜粉、纳米锡粉等润湿性好的金属粉或合金粉中的任意一种，纳米金属粉的颗粒度为100nm。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料使用方法包括以下步骤：

第一步，待焊面预处理，首先对碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面进行抛光处理，抛光后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面光洁度为10级，然后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料在清洗液中超声波清洗12分钟，然后将清洗后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料酒精中超声波清理9分钟，最后将碳化硅颗粒增强铝基复合材料从酒精中取出并自然阴干待焊；

第二步，焊接作业，将镓基钎料置于两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料待焊接表面之间位置，并由夹具对两个碳化硅颗粒增强铝基复合材料及镓基钎料进行夹持定位，构成焊接组合体，然后将定位后的焊接组合体至于电阻炉中进行钎焊，完成焊接后，将焊接组合体在电阻炉中随炉冷却，冷却后取出并拆除夹具，即可完成对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行钎焊作业。

本实施例中，第一步中清洗液为酒精与丙酮1：2比例混合液。

本实施例中，第二步中夹具对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的夹持定位压力为5MPa。

本实施例中，第二步中电阻炉钎焊温度为450℃，并在电阻炉内保温为1.5h。

通过以上步骤制备的镓基钎料，并以该镓基钎料对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行焊接作业后，所获得的钎焊接头可实现抗剪强度达到47MPa、密封性达到10^-8Pa∙m³/s的性能指标。

实施例4

如图1—7所示，碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，按照如下步骤进行：

第一步，原料表面预处理，首先将纯度高于99.99%的Ga单质表面进行800#，1000#精度的打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行10~15秒的吹热，镓金属表面软化即可；将预热后的金属镓在已经经过焊前处理的复合材料光洁表面用力擦涂，确保整个复合材料表面有足够的镓；用细软布用力在复合材料表面擦拭，细软布要事先用热风进行加热，直至将复合材料表面的多余镓擦涂掉，留下一层薄亮镓层，只用纯镓金属层作为钎料，镓层的厚度为10µm；

一种SiCp/Al复合材料的钎焊方法，利用上述制备方法制得的纯镓金属中间层钎料，按照如下步骤进行：

第一步，SiCp/Al复合材料待焊面预处理，将SiCp/Al复合材料经由200#、400#、800#、1000#精度的砂纸进行打磨，然后在酒精：丙酮为1：1的溶液中超声清洗10~15分钟，然后在酒精中超声清理5～10min，取出放入干净酒精中待焊；

第二步，按钎料中间层的制备方法将钎料中间层置于铝基复合材料中间；

第三步，大气环境钎焊：将涂有中间层材料的铝基复合材料用夹具进行固定加压，焊接压力3Mpa，然后置于电阻炉中进行钎焊焊接温度440℃，保温时间2h，即完成SiCp/Al复合材料的钎焊连接，所获得的钎焊接头可实现抗剪强度达到47MPa、密封性达到10-8Pa∙m3/s的性能指标。

实施例5：

如图1—7所示，碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，按照如下步骤进行：

第一步，原料表面预处理，首先将纯度高于99.99%的Ga单质表面进行800#，1000#精度的打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质；

第二步，镓基金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行10~15秒的吹热，镓金属表面软化即可；将预热后的金属镓在已经经过焊前处理的复合材料光洁表面用力擦涂，确保整个复合材料表面有足够的镓；用细软布用力在复合材料表面擦拭，细软布要事先用热风进行加热，直至将复合材料表面的多余镓擦涂掉，留下一层薄亮镓层，只用纯镓金属层作为钎料，镓层的厚度为10µm；

一种SiCp/Al复合材料的钎焊方法，利用上述制备方法制得的纯镓金属中间层钎料，按照如下步骤进行：

第一步，SiCp/Al复合材料待焊面预处理，将SiCp/Al复合材料经由200#、400#、800#、1000#精度的砂纸进行打磨，然后在酒精：丙酮为1：1的溶液中超声清洗10~15分钟，然后在酒精中超声清理5～10min，取出放入干净酒精中待焊；

第二步，按钎料中间层的制备方法将钎料中间层置于铝基复合材料中间，本实施例钎料中间层中并不添加其他元素，只将Ga金属涂覆在铝基复合材料上作为中间层钎料；

第三步，大气环境钎焊：将涂有中间层材料的铝基复合材料用夹具进行固定加压，焊接压力3Mpa，然后置于电阻炉中进行钎焊焊接温度460℃，保温时间2h，即完成SiCp/Al复合材料的钎焊连接，所获得的钎焊接头可实现抗剪强度达到44MPa、密封性达到10-8Pa∙m3/s的性能指标。

本发明采用中间层材料直接涂覆于复合材料面而后选用有五大效应并且与Al基体有良好润湿性的纳米铜制成钎料，所获得的钎料层度薄、成分均匀。钎料加热后与铝基复合材料的铝基体以及钎料中的Ga与纳米铜粉发生冶金反应，形成以CuAl2和CuGa2相为反应层的致密钎焊连接且成型良好、连续性好的钎缝。本发明获得的SiCp/Al复合材料真空钎焊接头可实现抗剪强度达56MPa、密封性达到10-8Pa∙m3/s的性能指标，可广泛应用于封接T/R组件壳体以及其他铝基复合材料的应用领域。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，其特征在于：所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法包括以下步骤：

第一步，原料表面处理，首先将纯度高于99.99%的镓金属表面进行打磨，磨去表面的氧化膜以及杂质，且打磨后的镓金属表面光洁度为7级—13级；

第二步，镓金属涂覆，对镓金属表面进行预热，用热吹风对即将擦涂的部位进行10~15秒的吹热，使镓金属表面软化，然后将预热后的镓金属对已经经过焊前处理的复合材料光洁表面擦涂，擦涂后复合材料表面镓金属层厚度为5—20µm，然后由温度为0℃—29℃表面抛光设备对复合材料表面的镓金属层进行抛光，抛光后镓金属层表面光洁度为7级—13级；

第三步，添加纳米金属粉，根据涂覆镓金属层的质量，按镓金属与金属粉间质量比为2：0.3—1.8的比例，在已经涂覆好的镓金属层表面将纳米金属粉均匀的铺洒在镓金属层上，从而得到成品镓基钎料，所述纳米金属粉为纳米铜粉。

2.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，其特征在于，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，直接将吹热后温度为20℃—29℃的镓金属表面在复合材料光洁表面擦拭，其中擦拭时对复合材料光洁表面压力为0.5—10千克，且擦涂作业保持镓金属表面温度恒定为20℃—29℃。

3.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，其特征在于，第二步中，在进行镓金属表面擦涂作业时，首先将镓金属吹热成液态，然后将液态镓金属均匀涂布在细布表面，并维持细布表面温度为20℃—29℃，最后再用温软细布在复合材料光洁表面进行反复的擦拭，使细布表面镓金属转移到复合材料光洁表面，且擦拭时对复合材料光洁表面压力为0.5—10千克。

4.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用镓基钎料制备方法，其特征在于，第三步中所述纳米金属粉的颗粒度为50—150nm。

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