CN112108789B - 一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料及其应用，用于钎焊连接高硅铝合金，所述复合钎料包括金属相与增强相，金属相和增强相的体积比为3‑19：1；所述金属相按重量份数计包括Sn 73‑84份、Ag 10‑17份和Cu 6‑11份；本发明解决了高硅铝合金之间钎焊连接时金属钎料与Si润湿性较差，以及钎料和高硅铝合金热膨胀系数不匹配引起的热应力疲劳问题，从而提高钎焊接头质量。

Description

一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料及其应用

技术领域

本发明属于电子封装材料加工工程技术领域，具体涉及一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料及其应用。

背景技术

高硅铝合金具有密度低、膨胀系数低、热导率高、比强度和刚度较高，与金、银、铜、镍的镀覆性能好，与基材可焊等优点，在航空航天飞行器电子系统、卫星基站、移动通讯系统和交通运输等领域也愈来愈多使用高硅铝合金结构件作为封装壳体。因此，随之而来的高硅铝合金连接技术便成为非常重要的问题。

钎焊作为高硅铝合金连接技术中效果较好的一种重要连接方式，是采用比母材熔化温度低的钎料，焊接温度介于母材固相线和钎料液相线之间的一种焊接技术。由于高硅铝合金中含有硬质硅相，用普通的软钎焊难以实现较好的连接，金属钎料与Si颗粒的润湿性较差，这使得焊接接头的连续性较差、气密性较低、强度较低，从而限制了高硅铝合金在电子封装领域的应用。而且硬质硅相的热膨胀系数较低，金属钎料热膨胀系数较高，金属钎料和高硅铝合金材料之间热膨胀系数差异较大，连接后的接头会存在较高的残余应力，降低接头强度；在封装外壳服役期间，多次的升温降温循环，还会引起热应力疲劳从而导致接头的失效。

现有解决处理热膨胀系数不匹配问题的方法，多为在原有钎料基础上，向焊缝中引入低线膨胀系数的颗粒、如Si、SiC颗粒，等从而减小焊缝与母材的线膨胀系数差值，缓解残余应力。但引入颗粒过多，必然使得钎料难以润湿母材。Ni基、Co基钎料对硅的润湿性好，但在焊缝与母材的界面反应太强烈，产生复杂的化合物层，降低接头强度。

因此，如何设计钎料成分使得钎料和高硅铝合金材料之间热膨胀系数的匹配，以及改善钎料与Si颗粒的润湿性能，从而提高钎焊接头质量，是目前该领域的研究目标之一。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料及其应用，解决了高硅铝合金之间钎焊连接时金属钎料与Si润湿性较差，以及钎料和高硅铝合金热膨胀系数不匹配引起的热应力疲劳问题。

为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料，用于钎焊连接高硅铝合金，所述复合钎料包括金属相与增强相，金属相和增强相的体积比为3-19：1；所述金属相按重量份数计包括Sn 73-84份、Ag 10-17份和Cu 6-11份。

本发明按复合钎料与粘结剂的体积比为1:1～1:2称取粘结剂，并将复合钎料与粘结剂混合均匀。所述粘接剂可以依据现有技术做适应性调整和选择。涂敷在电镀Ni及Cu层后的高硅铝合金表面进行钎焊。该钎料的成分百分比数值由线膨胀系数的Turner计算模型得到，该模型与实际线膨胀系数曲线拟合较好。

进一步的，所述增强相为SiC颗粒。

进一步的，当高硅铝合金中硅的体积分数占65％-75％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为2.7-3.2：1，所述金属相按重量份数计包括Sn 73-77份、Ag 15-17份和Cu 10-11份。

进一步的，当高硅铝合金中硅的体积分数占55％-65％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为3.5-4.5：1，所述金属相按重量份数计包括Sn 71-75份、Ag 14-16份和Cu 9-10份。

进一步的，当高硅铝合金中硅的体积分数占45％-55％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为5-7：1，所述金属相按重量份数计包括Sn 75-79份、Ag 13-15份和Cu8-9份。

进一步的，当高硅铝合金中硅的体积分数占35％-45％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为8-12：1，所述金属相按重量份数计包括Sn 77-81份、Ag 12-14份和Cu7-8份。

进一步的，当高硅铝合金中硅的体积分数占25％-45％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为16-24：1，所述金属相按重量份数计包括Sn 81-84份、Ag 10-12份和Cu6-7份。

进一步的，复合钎料应用于高硅铝合金钎焊连接。

硅体积分数低于50％的高硅铝合金，如Al-27Si、Al-40Si、Al-50Si，工作温度下其线膨胀系数在11×10^-6/℃以上，与Ni相近。适合高硅铝合金母材先镀镍再镀铜，使用钎剂去膜的感应钎焊。Ni在Cu和Sn上的润湿性能良好，由于钎焊过程中Ni层中Ni元素向钎料的扩散，可以有效地抑制钎焊接头处的化合物Cu₃Sn，同时也会促进有益化合物(Cu，Ni)₆Sn的生长。

硅体积分数高于50％的高硅铝合金，如Al-60Si、Al-70Si，其工作温度下其线膨胀系数在11×10^-6/℃以下，此时适合使用本复合钎料进行超声辅助去除氧化膜的感应钎焊，高硅铝合金母材无需镀镍和铜。在超声波的“空化”作用下，母材表面的氧化膜破碎，钎料在高硅铝合金表面的润湿。另外超声波的存在还促进母材中Si元素向焊缝中的迁移，同时降低了钎缝的热膨胀系数。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了高硅铝合金之间钎焊连接时金属钎料与Si润湿性较差，以及钎料和高硅铝合金热膨胀系数不匹配引起的热应力疲劳问题，从而提高钎焊接头质量；

2、本发明中Sn元素作为钎料基体，其具有优良的塑性变形能力、导电能力；但当Sn添加量较高时，钎料合金的润湿性能降低；所以对传统的Sn-3Ag-0.5Cu钎料进行改进，Sn含量的降低有两个优点，第一是降低了焊缝的热膨胀系数，第二是提高了钎料对母材的润湿性能；

3、本发明的Ag元素具有优良的塑性变形能力，尤其是对陶瓷基材料具有很好的润湿性。在传统的Sn-3Ag-0.5Cu钎料基础上提高Ag含量，可以在SiC增强相含量较高不利于润湿时，仍然对母材具有较好的润湿性；

4、本发明的SiC颗粒作为增强相，SiC颗粒的加入可以提高钎焊接头剪切强度，还可以借助其低膨胀性能降低钎缝的线膨胀系数，使其接近母材线膨胀性能。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术效果，下面通过实施例对本发明进行具体描述。

实施例1

以硅体积分数占40％的高硅铝合金Al-40Si钎焊为实施例，其工作温度(50℃)下其线膨胀系数约为13×10^-6/℃。与其线膨胀系数对应的复合钎料成分：质量分数79％的Sn、13％的Ag、8％的Cu制成Sn-Ag-Cu钎料后，按照Sn-Ag-Cu钎料与SiC粉体积比为9:1制成。

步骤一：合成复合钎料。称取质量百分比8％的Cu粉、79％的Sn粉及13％Ag粉，以及与Sn、Ag、Cu三种金属粉末总体积比例为9:1的SiC粉，加入到球磨机中，以200转/分钟～400转/分钟的速度球磨4h～6h，得到复合钎料，球磨介质为直径6m的Al₂O₃球，球料质量比为20:1。

步骤二：将复合钎料与粘结剂混合。按复合钎料与粘结剂的体积比为1:0.5～2，称取经步骤一得到的复合钎料与粘结剂，并将复合钎料与粘结剂混合均匀。

步骤三：母材表面清理并镀镍。将试验母材高硅铝合金使用线切割成2mm×10mm×50mm尺寸，并用粗砂纸打磨去除边角毛刺。将其放入超声波清洗仪，并使用乙醇清洗去除油脂等有机杂质。高硅铝合金含有大量的Si元素，软钎料在其上的润湿性能较差，化学镀Ni工艺成熟，又具有镀层致密、厚度均匀，故采用在基体上涂覆一层金属元素镍，以此改善其的钎焊性能。母材表面镍镀层厚度为40～80μm，用1200#细砂纸将试样表面磨光并使其平整，然后再用酒精溶液清洗，取出干燥。

步骤四：镀镍的母材表面再镀铜。母材表面镀铜层厚度为20～40μm，用800#、1200#细砂纸将试样表面磨光并使其平整，然后用酒精溶液清洗，取出干燥。

步骤五：采用了搭接形式的接头设计，搭接长度15mm，搭接面积为225mm²。将混合均匀的复合钎料与粘结剂，后涂覆在经步骤三、四处理的高硅铝合金待焊接面上，涂覆层的厚度为200um～400um。

步骤六：将试验中的母材与钎料或中间层按照高硅铝合金/复合钎料/高硅铝合金的顺序放置于夹具之中，夹具放置于感应加热装置，采用松香基的有机软钎剂。然后升温至240℃，保温1～2min后，空气冷却，取出钎焊件。

实施例2

实施例二与实施例一的不同之处为：实施例二以硅体积分数占27％的高硅铝合金Al-27Si钎焊为实施例。其工作温度下其线膨胀系数约为17×10^-6/℃。与其线膨胀系数对应的复合钎料成分：质量分数82％的Sn、11％的Ag、7％的Cu制成Sn-Ag-Cu钎料后，按照Sn-Ag-Cu钎料与SiC粉体积比为19:1制成。

实施例3

以硅体积分数占60％的高硅铝合金Al-60Si钎焊为实施例。其工作温度下其线膨胀系数约为9×10^-6/℃。与其线膨胀系数对应的复合钎料成分：体积分数75％的Sn、15％的Ag、10％的Cu制成Sn-Ag-Cu钎料后，按照Sn-Ag-Cu钎料与SiC粉体积比为4:1制成。

步骤一：合成复合钎料。称取质量百分比10％的Cu粉、75％的Sn粉及15％Ag粉，以及与Sn、Ag、Cu三种金属粉末总体积比例为4:1的SiC粉，加入到球磨机中，以200转/分钟～400转/分钟的速度球磨4h～6h，得到复合钎料，球磨介质为直径6m的Al₂O₃球，球料质量比为20:1。

步骤二：将复合钎料与粘结剂混合。按复合钎料与粘结剂的体积比为1:0.5～2称取经步骤一得到的复合钎料与粘结剂，并将复合钎料与粘结剂混合均匀。

步骤三：母材表面清理。将试验母材高硅铝合金使用线切割成2mm×10mm×50mm尺寸，并用粗砂纸打磨去除边角毛刺。将其放入超声波清洗仪，并使用乙醇清洗去除油脂等有机杂质，取出干燥。

步骤四：采用了搭接形式的接头设计，搭接长度15mm，搭接面积为225mm²。将混合均匀的复合钎料与粘结剂，后涂覆在经步骤三处理的高硅铝合金待焊接面上，涂覆层的厚度为200um～400um。

步骤五：焊接。将试验中的母材与钎料或中间层按照高硅铝合金/复合钎料/高硅铝合金的顺序放置于夹具之中，夹具放置于具有超声波辅助的加热装置中。然后升温至240℃，设置试验钎焊所需的声压压强，然后施加超声波振动80～100s，振动结束后将超声波发生器移开，保温1～2min后，空气冷却，取出钎焊件。

实施例4

实施例四与实施例三的区别在于：实施例四以硅体积分数占70％的高硅铝合金Al-70Si钎焊为实施例。其工作温度下其线膨胀系数约为6×10^-6/℃。与其线膨胀系数对应的复合钎料成分：质量分数73％的Sn、16％的Ag、11％的Cu制成Sn-Ag-Cu钎料后，按照Sn-Ag-Cu钎料与SiC粉体积比为3:1制成。并且实施例四在钎焊过程中超声波震动施加时间100～120s。

表1实验数据

从上述实施例1-4和对照例1-6分析，本方案通过添加增强相以及调整Sn、Ag和Cu比例，解决了高硅铝合金之间钎焊连接时金属钎料与Si润湿性较差，以及钎料和高硅铝合金热膨胀系数不匹配引起的热应力疲劳问题，从而提高钎焊接头质量，提高剪切强度和焊缝硬度。

最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种适用于高硅铝合金钎焊连接的复合钎料，用于钎焊连接高硅铝合金，其特征在于，所述复合钎料包括金属相与增强相，金属相和增强相的体积比为3-19：1；所述金属相按重量份数计包括Sn73-84份、Ag10-17份和Cu6-11份；

所述增强相为SiC颗粒。

2.根据权利要求1所述的复合钎料，其特征在于，当高硅铝合金中硅的体积分数占55％-65％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为3.5-4.5：1，所述金属相按重量份数计包括Sn73-77份、Ag14-16份和Cu9-11份。

3.根据权利要求1所述的复合钎料，其特征在于，当高硅铝合金中硅的体积分数占45％-55％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为5-7：1，所述金属相按重量份数计包括Sn75-79份、Ag13-15份和Cu8-10份。

4.根据权利要求1所述的复合钎料，其特征在于，当高硅铝合金中硅的体积分数占35％-45％时，所述复合钎料中金属相和增强相的体积比为8-12：1，所述金属相按重量份数计包括Sn77-81份、Ag12-14份和Cu7-9份。

5.根据权利要求1-4任一项所述复合钎料在高硅铝合金钎焊连接上的应用。