CN113909608A - 一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，以AgCuTiAl复合钎料箔片作为中间层，对AlN陶瓷与Cu在真空条件下进行钎焊连接，钎焊温度850℃‑875℃，保温时间为10‑30min；所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag68‑72％、Cu 25‑30％、Ti 2％‑6％，余量为Al。采用本发明所述方法能够有效缓解接头残余应力，提高接头强度，得到可靠的AlN陶瓷和Cu焊接接头。

Description

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法

技术领域

本发明属于钎焊技术领域，尤其涉及一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法。

背景技术

AlN是以四面体为结构单元的共价键化合物，属于六方晶系，四面体的结构单元决定了其优异的热学、电学及力学性能，尤其导热率是氧化铝陶瓷的7倍，其因优异的性能而备受关注，应用范围也越来越广泛，特别是在大功率集成电路基板封装散热等领域。金属Cu具有优异的导热性能，随着IGBT基板散热不良问题频频出现，研究人员尝试在AlN陶瓷基板上连接一层Cu层，通过Cu层将IGBT芯片产生的热量传递出来以解决功率器件失效问题。

目前，用于AlN陶瓷和纯Cu的连接的钎料仍以AgCuTi系和AgCuInTi系为主，依靠钎料中的活性元素Ti实现陶瓷和金属的润湿和可靠连接。但是，目前所采用的钎料所钎焊的样品的残余应力较大，连接接头强度不高。如，专利CN1364748A、专利CN1228163C公开的方法均存在加工时间长、得到的连接接头强度较低的技术问题。

因此，亟待开发一种缓解接头残余应力且高温性能优良的钎料连接AlN陶瓷和Cu的方法。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供了一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，能够有效缓解接头残余应力，提高接头强度，得到可靠的AlN陶瓷和Cu焊接接头。

本发明技术方案具体如下：

本发明提供了一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，以AgCuTiAl复合钎料箔片作为中间层，对AlN陶瓷与Cu在真空条件下进行钎焊连接，钎焊温度850℃-875℃，保温时间为10-30min；所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag68-72％、Cu 25-30％、Ti 2％-6％，余量为Al。

优选地，所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 70％、Cu 27％、Ti 2％，Al 1％。

优选地，所述AgCuTiAl复合钎料箔片，是将AgCu共晶钎料片、Ti片、Al片三种原料层叠、固定得到。

优选地，所述AgCuTiAl复合钎料箔片的厚度为0.1-0.5mm。

优选地，所述真空度≤5×10^-3Pa，压力为0.05-0.1MPa。

优选地，钎焊连接时采用程序升温方式将温度升至钎焊温度，具体为，从室温以10-20℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温8-15min；再以10-20℃/min的速度升温到钎焊温度850℃-875℃，保温10-30min；优选地，在所述在钎焊温度保温后，以8-12℃/min速度降温至250-350℃后，自然冷却到室温。

优选地，所述钎焊温度为850℃，保温时间为20min-30min；更优选地，钎焊温度为850℃，保温时间为20min。

优选地，钎焊连接前，对AlN陶瓷和Cu进行表面处理。

优选地，所述表面处理具体为：将AlN陶瓷和Cu的待焊面打磨、抛光至无痕，然后清洗、干燥。

优选地，所述Cu为纯铜，其含量为99.50-99.99％。

与现有技术相比，本发明有益效果为：

本发明以AgCuTiAl复合钎料箔片作为中间层，对AlN陶瓷与Cu进行钎焊连接；AgCuTiAl复合钎焊料相较于现有的AgCuTi系钎料仅添加了Al元素，避免了繁琐的工艺以及复杂脆性化合物的产生；通过对AgCuTiAl复合钎料箔片的组成以及钎焊工艺、工艺参数的进一步限定，使得钎焊连接时在钎焊接头处生成AlCu₂Ti相；所述AlCu₂Ti相在钎焊接头中产生弥散强化作用，有利于缓解接头的残余应力，使接头强度提高。

发明人在研究过程中惊喜发现，在AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 70％、Cu27％、Ti 2％，Al 1％，钎焊温度为850℃，保温时间为20min-30min工艺条件下，所获得的钎焊接头的强度是出乎意料的，所述钎焊接头的剪切强度高达155.62-190.48Mpa，远远高于现有技术水平。经过组织分析推断，这可能是由于在该条件下，既能保证生成的AlCu₂Ti相均匀而非连续的分布于钎焊接头中，又避免了韧性的AgCu共晶相大量溢出导致接头韧性和剪切强度的下降。

附图说明

图1为实施例1得到的钎焊接头的SEM图；

图2为实施例2得到的钎焊接头的SEM图；

图3为实施例3得到的钎焊接头的SEM图；

具体实施方式

本发明实施例中所述的AgCuTiAl复合钎料箔片均采用如下方法制备得到：先分别将AgCu共晶钎料片、Ti片及Al片用砂纸打磨以去除表面氧化膜；根据AgCuTiAl复合钎料中各金属原料的组成，将各金属箔片按照配比裁剪并配重；将三种原料焊片放置于丙酮溶液中清洗10分钟，然后取出再次置于酒精溶液中清洗10分钟，最后进行干燥处理，将三种原料层叠放置并用胶水固定，即得AgCuTiAl复合钎料箔片。所述AgCuTiAl复合钎料箔片厚度为0.1mm。

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。

实施例1

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，以AgCuTiAl复合钎料箔片作为中间层，对AlN陶瓷与Cu进行钎焊连接；所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 70％、Cu 27％、Ti 2％，Al1％；Cu为纯铜，其含量为99.95％。具体包括：

(1)钎焊连接前，对AlN陶瓷和Cu进行表面处理

依次采用320#、600#、800#、1500#SiC砂纸将待钎焊的AlN陶瓷和Cu表面进行逐级打磨，并置于抛光机上，用粒径为1μm的金刚石悬浮液进行抛光至无痕，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min后取出，置于酒精溶液中超声清洗10min，最后进行干燥，得到表面处理后的母材；

(2)钎焊连接：

将表面处理后的母材堆放在石墨模具中，Cu放置于底部，中间放置AgCuTiAl复合钎料箔片，最后再将AlN陶瓷放置于顶部，三者对齐，即得按照Cu/AgCuTiAl复合钎料箔片/AlN陶瓷顺序装配的三明治结构的待钎焊组件；在待钎焊组件上放置5g的钼块进行压重，使两端母材与其中间的AgCuTiAl复合钎料箔片紧密接触，然后一起放置于真空钎焊炉中，真空条件下(真空度控制在2×10^-3Pa，压力为0.05MPa)进行钎焊连接，所述钎焊温度为850℃，保温时间为10min；

具体地，采用程序升温方式将温度升至钎焊温度，即从室温以10℃/min的升温速率升温至300℃，保温10min；再以10℃/min的速度升温到钎焊温度850℃，保温10min；最后以10℃/min速度降温至300℃后，随炉自然冷却到室温，得到AlN陶瓷和Cu的钎焊接头。

对该实施例得到的钎焊接头进行扫描电镜检测，其SEM图见图1(a)；根据在扫描电镜下背散射电子像图结果，进行示意描绘得到的组织结构示意图见图1(b)；高倍下的SEM图见图1(c)。

由图1可以看出：焊缝界面没有出现孔洞、裂纹等现象，且组织结构均匀。结合EDS和XRD表征，确定接头由AgCu共晶相(Ag(s,s)、Cu(s,s))、富Ti相(CuTi、CuTi₂、AlCuTi₅)、AlCu₂Ti和TiN相组成。

实施例2

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，与实施例1相同，区别仅在于，“钎焊连接时，在所述钎焊温度下(850℃)，保温时间由10min替换为20min；”由此得到AlN陶瓷和Cu的钎焊接头。

对该实施例得到的钎焊接头进行扫描电镜检测，其SEM图见图2(a)；根据在扫描电镜下背散射电子像图结果，进行示意描绘得到的组织结构示意图见图2(b)。

实施例3

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，与实施例1相同，区别仅在于，“钎焊连接时，在所述钎焊温度下(850℃)，保温时间由10min替换为30min；”由此得到AlN陶瓷和Cu的钎焊接头。

对该实施例得到的钎焊接头进行扫描电镜检测，其SEM图见图3(a)；根据在扫描电镜下背散射电子像图结果，进行示意描绘得到的组织结构示意图见图3(b)。

实施例4

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，与实施例2相同，区别仅在于AgCuTiAl复合钎料箔片组成不同，本实施例中AgCuTiAl复合钎料箔片组成为，Ag70.5％、Cu 27％、Ti 2％，Al 0.5％，由此得到AlN陶瓷和Cu的钎焊接头。

实施例5

一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，与实施例2相同，区别仅在于AgCuTiAl复合钎料箔片组成不同，本实施例中AgCuTiAl复合钎料箔片组成为，Ag 69％、Cu 27％、Ti 2％，Al2％，由此得到AlN陶瓷和Cu的钎焊接头。

性能测试：

对以上实施例得到的AlN陶瓷和Cu的钎焊接头置于万能试验机上测试其剪切强度，其结果如下表1所示。

表1、各实施例中获得的钎焊接头剪切强度

钎焊接头	剪切强度/Mpa
		实施例1	73.22
实施例2	190.48
		实施例3	155.62
实施例4	146.57
		实施例5	11.05

由上表1可以看出，实施例1-5得到的钎焊接头均具有较为优异的剪切强度，特别是，当AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 70％、Cu 27％、Ti 2％，Al 1％，钎焊温度为850℃，保温20min时，钎焊接头剪切强度高达190.48MPa。结合图1-3显示的组织形貌分析推断：

在850℃保温10min条件下，焊缝中产生连续的条状AlCu₂Ti相及富Ti相，该连续层状结构使接头变脆，剪切强度相对较低；

在850℃保温20min条件下，焊缝中连续的条状AlCu₂Ti相及富Ti相开始分散，连续层状结构开始转变成半连续结构，并且焊缝中AgCu共晶组织得以保留，使得接头强度非常优异。

在850℃保温30min条件下，接头中AlCu₂Ti相已经弥散分布于接头中，但钎缝中韧性的AgCu共晶相会大量溢出，由此导致接头力学性能下降。

另外，由实施例2和实施例5的数据对比可以看出，在钎焊工艺及参数相同的情况下，AgCuTiAl复合钎料箔片的组成对得到的钎焊接头性能影响较大。在实施例5的钎料组成下，脆性化合物充满焊缝导致接头性能急剧下降。

本发明改善了目前AlN陶瓷覆铜接头残余应力大且连接强度低的难题，揭露了一种新的AgCuTiAl复合钎料的润湿性机理。焊接过程中，由于Al的熔点低，Al先熔化成液态，随后AgCu共晶熔化，共同与Ti发生反应生成AlCu₂Ti和其他富Ti相，此外，Ti和AlN发生反应生成TiN反应层以实现接头的连接。在保温过程中进一步加深与AlN及Cu的反应，从而实现了对母材的良好润湿。焊缝中主要包含了AgCu共晶相(Ag(s,s)、Cu(s,s))、富Ti相(CuTi、CuTi₂、AlCuTi₅)、AlCu₂Ti和TiN相。

以上分析与数据表明，采用本发明所述方法获得的焊缝中均匀分布的颗粒状AlCu₂Ti相和存在的AgCu共晶组织基体，有利于提高AlN陶瓷和Cu的钎焊接头的接头强度和力学性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，以AgCuTiAl复合钎料箔片作为中间层，对AlN陶瓷与Cu在真空条件下进行钎焊连接，钎焊温度850℃-875℃，保温时间为10-30min；所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 68-72％、Cu 25-30％、Ti 2％-6％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述AgCuTiAl复合钎料箔片组成为：Ag 70％、Cu 27％、Ti 2％，Al 1％。

3.根据权利要求1或2所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述AgCuTiAl复合钎料箔片，是将AgCu共晶钎料片、Ti片、Al片三种原料层叠、固定得到。

4.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述AgCuTiAl复合钎料箔片的厚度为0.1-0.5mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述真空度≤5×10^-3Pa，压力为0.05-0.1MPa。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，钎焊连接时采用程序升温方式将温度升至钎焊温度，具体为，从室温以10-20℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温8-15min；再以10-20℃/min的速度升温到钎焊温度850℃-875℃，保温10-30min；优选地，在所述在钎焊温度保温后，以8-12℃/min速度降温至250-350℃后，自然冷却到室温。

7.根据权利要求1-6任一项所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述钎焊温度为850℃，保温时间为20min-30min；优选地，所述钎焊温度为850℃，保温时间为20min。

8.根据权利要求1-7任一项所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，钎焊连接前，对AlN陶瓷和Cu进行表面处理。

9.根据权利要求8所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述表面处理具体为：将AlN陶瓷和Cu的待焊面打磨、抛光至无痕，然后清洗、干燥。

10.根据权利要求1所述的钎焊连接AlN陶瓷与Cu的方法，其特征在于，所述Cu为纯铜，其含量为99.50-99.99％。

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