高体积分数SiCp/Al电子封装复合材料的钎焊综述

高体积分数SiC_p/Al复合材料作为电子封装材料使用日益流行,其钎焊具有重要的实际意义。近来,一些新钎料合金和工艺被开发用于高体积分数SiC_p/Al复合材料的钎焊。本文回顾了SiC_p/Al复合材料的物理力学性能和制备工艺,综述了应用于高体积分数SiC_p/Al复合材料的合金钎料、钎焊工艺及其接头微结构与性能,旨在进一步理解它们之间的关联性,以优化接头性能与可靠性。往Al?Si合金中添加Cu、Mg、Ni等合金元素有助于提高钎料合金和钎焊接头的使用性能,如可优化钎料合金的应用温度、接头界面结合和焊缝强度。而表面金属化和超声波振动两种钎焊辅助工艺可通过避免或去除复合材料表面的Al₂O₃和SiO₂氧化膜来改善合金钎料的钎焊性。最后,指出需要进一步加强对合金钎料的优化设计、表面金属化工艺以及焊料/涂层/基材体系之间的润湿性和界面行为的研究。     

SiC_p/2024Al复合材料与SiC陶瓷的软钎焊

采用Sn3.0Ag0.7Cu钎料对表面电镀铜后的增强相体积为45%的SiC_p/2024Al复合材料和表面化学镀铜后的SiC陶瓷进行钎焊,利用扫描电镜、材料试验机等研究了钎焊接头的显微组织、剪切断口形貌以及钎焊保温时间对接头组织和性能的影响。结果表明:表面电镀铜后的SiC_p/2024Al复合材料能够实现与表面化学镀铜的SiC陶瓷的软钎焊,在260℃下保温0.5min能得到剪切强度为24MPa的接头,焊缝组织致密,钎料对电镀铜后的SiC_p/2024Al复合材料和化学镀铜后SiC陶瓷的润湿性都良好,断裂部位发生在铝基复合材料与电镀铜结合处以及电镀铜层较薄弱处。     

铝硅镁钎料真空钎焊SiC_p/Al-MMCs与可伐合金的工艺与性能研究

研究了增强相体积分数为55%的Si Cp/Al-MMCs与可伐合金的真空钎焊,分析了钎焊温度和复合材料表面镀层对接头性能的影响规律。结果表明,Al-12.0Si-1.5Mg-4.0Ti钎料在真空条件下能很好地润湿55%Si Cp/Al-MMCs和可伐合金,合适的钎焊工艺参数为:复合材料表面镀铜、真空度6.5×10-3Pa、钎焊温度590℃、保温时间30 min,接头最大剪切强度可达64.9 MPa。当钎焊温度从570℃增加到590℃时,接头的剪切强度和显微硬度都逐渐增加。复合材料表面镀铜会显著增加钎缝以及界面区域的显微硬度。复合材料表面镀层会对接头剪切强度产生影响,在590℃以下钎焊时,无镀层的复合材料和可伐合金接头的剪切强度较高。而当钎焊温度达到590℃时,表面镀铜的复合材料与可伐合金接头的剪切强度最高。     

SiC_P增强Al基复合材料真空钎焊研究

采用真空钎焊方法分别研究了高体积比SiCP/6063Al复合材料不电刷镀铜钎焊及先电刷镀铜后再钎焊的连接特性,考察了镀铜层对真空钎焊质量及接头性能的影响。结果表明,镀铜层可明显改善Al57.5-Cu31.5-Mg6-Sn5箔状钎料对复合材料的润湿性,钎焊接头致密完整,在580℃、保温30 min的条件下,获得最大抗剪强度为145.6 MPa,断裂发生在复合材料内部。然而不电刷镀铜钎焊后,接头存在间隙,断口表明断裂发生在钎料与复合材料连接界面处,钎焊质量差。因此,高体积比SiCP/6063Al复合材料表面电刷镀铜是改善其焊接性的有效方法之一。     

高体积分数SiC_p/6063Al复合材料与可伐合金的真空钎焊工艺研究

研究了增强相体积分数为55%的Si Cp/6063Al复合材料与可伐合金的真空钎焊,分析了钎焊温度和复合材料表面不同镀层对接头剪切强度的影响规律、接头显微组织以及显微硬度分布特征。结果表明,钎焊温度对接头的剪切强度影响很大,针对复合材料表面不同的镀层,其变化规律不一样。采用Ag57.6-Cu22.4-In10-Sn10钎料,在真空度为6.5×10-3Pa,钎焊温度为600℃并保温30 min时,无镀层的复合材料和可伐合金之间可获得最大剪切强度为61.4 MPa的接头。钎料无论对可伐合金,还是对镀镍层、镀铜层以及裸露的复合材料,其润湿性都较好。钎料与可伐合金界面区的硬度要比可伐合金中的硬度大,钎料与复合材料界面区的硬度随钎焊温度的升高而增加。     

中间层对高体积分数SiCp/Al复合材料真空钎焊的影响

采用铜箔、Al-Si-Mg及Al-Si-Mg/Cu/Al-Si-Mg(简称ACA)3种不同中间层对高体积分数45%SiC_p/Al复合材料进行真空钎焊连接研究.通过SEM,EDS及XRD等方法对钎缝的微观结构及界面组织进行了分析,研究了中间层种类对钎焊接头微观结构、界面组织以及连接强度的影响,阐明了不同中间层钎焊连接45%SiC_p/Al复合材料的界面形成过程及接头断裂机制.结果表明,ACA中间层兼具了铜和Al-Si-Mg钎料的优点,可降低钎料的液相线,增加其流动性,通过Cu原子优先在铝合金基体与其氧化膜的界面处扩散发生共晶反应,增强钎料的去膜作用,从而实现高体积分数45%SiC_p/Al复合材料的高质量连接.     

SiC_p/ZL101复合材料与可伐合金4J29钎焊的分析

以增强相体积分数为55%的SiCp/ZL101复合材料和可伐合金4J29为母材,首先在复合材料表面电镀镍,然后在420℃保温7min的条件下,采用Zn-Cd-Ag钎料对SiCp/ZL101复合材料与可伐合金进行了保护气氛钎焊试验.利用扫描电镜及EDS能谱分析的方法对接头的界面组织及断口形貌进行了研究.结果表明,经过镀镍提高了钎料对复合材料的润湿性,钎焊过程中钎料与可伐合金、钎料与镀层界面处均形成了过渡层,镀层与复合材料通过扩散形成了冶金结合.断口分析表明,钎焊接头的断口位于复合材料内部,但离镀层较近.     

γ-TiAl合金自身及其与高温合金的钎焊技术研究进展与趋势

γ-Ti Al合金是航空航天领域极具应用前景的轻质高强、耐高温结构材料,实现γ-Ti Al合金自身及其与高温合金的高质量钎焊连接,对于促进其工程化应用具有重要意义。分别从钎料的润湿性以及钎料种类(Ti基、Ag基、Al基)、工艺参数对接头组织性能的影响等方面,综述了国内外的研究进展。存在的主要问题是缺少γ-Ti Al合金专用的高温钎料、界面反应的控制机制以及接头综合性能的评价标准等。今后针对γ-Ti Al合金的钎焊连接,应包括以下5个重点研究方向:高温钎料成分设计;接头组织和性能的推演、预测方法;连接界面冶金行为的深入研究;连接界面组织调控机制;接头综合性能的考核与评价标准。     

SiC_p/Al激光诱导钎焊接头界面行为及性能

针对T/R模块壳体结构封装的特殊性,提出了激光诱导钎焊方法并建立其机理模型.以增强相体积分数为55%的Si CP/Al复合材料为母材,根据激光诱导温度场的特殊性,采用Al Zn25Si1,Zn Al7,纳米铝粉,微颗粒锡4种钎料对铝基复合材料进行了氩保护气氛钎焊试验,利用扫描电镜和EDS能谱分析的方法对钎焊接头的界面结合和断口形貌进行了研究.在保证接头材料表面不受热损伤、且搭接界面钎料熔化的特殊温度场的条件下,确定了激光的参数.结果表明,低熔点的Zn Al7、纳米铝粉钎料容易得到良好的接头,界面层通过扩散实现了冶金结合,断口分析表明,钎焊接头的断口位于钎缝偏于母材内一侧,具有一定的连接强度.     

镀膜Al箔钎料对AlN陶瓷的钎焊

为了实现Al钎料对Al N的直接钎焊,提出了一种可以在熔化后自行去除表面Al_2O_3膜的镀膜Al箔钎料,以及提高Al钎焊Al N接头强度的升温钎焊方法,研究了表面气相沉积Ni/Al双层薄膜对Al箔表面Al_2O_3氧化膜的自去除作用,以及钎焊温度对接头强度提高的作用。结果表明,由于被Ni/Al双层薄膜掩埋,原Al箔表面的Al_2O_3氧化膜在钎料加热及熔化的过程中被破碎并卷入到含1%Ni(原子分数)的Al液中,实现了Al对Al N的无界面反应过渡层直接钎焊。采用升高钎焊温度的方法,可显著提高接头的强度。680℃钎焊时,由于Al液不润湿Al N,接头的断裂发生在Al钎缝与Al N的界面,剪切强度为79 MPa;随着钎焊温度的提高和润湿性的改善,Al/Al N的界面强度得到显著提高,接头的断裂逐步由界面转移至钎缝金属中,接头强度也相应逐步提高,并在840℃后达到最高值(146 MPa)。     

Cf/SiC复合材料与Ti合金的Ag-Cu-Ti-TiC复合钎焊

以Ag-Cu-Ti-TiC复合钎料为中间层,在适当的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与Ti合金.利用SEM、EDS和XRD分析接头的微观组织结构,利用剪切实验检测接头的力学性能.结果表明:钎焊时,借助液态钎料,复合钎料中的Ti与Cf/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面形成Ti-Si-C、Ti-Si和少量TiC化合物的混合反应层;复合钎料中的Cu与Ti合金中的Ti发生互扩散,在连接层与Ti合金界面形成不同成分的Cu-Ti化合物过渡层;钎焊后,形成TiC颗粒强化的致密复合连接层,TiC的加入降低了接头的残余热应力,Cf/SiC/Ag-Cu-Ti-TiC/TC4接头的剪切强度明显高于Cf/SiC/Ag-Cu-Ti/TC4接头的.     

填充泡沫Ti/AlSiMg的SiC陶瓷钎焊接头的组织与性能

为丰富SiC陶瓷钎焊所用钎料的设计思路,提出了一种泡沫Ti/AlSiMg新型复合钎料,通过Ti元素的溶入提高钎料与SiC陶瓷之间的界面结合力,利用泡沫Ti与Al基钎料之间的界面反应获得原位增强的钎缝,从而提升接头力学性能. 采用钎焊温度700 ℃、保温时间60 min和焊接压力10 MPa进行SiC陶瓷真空钎焊,利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射、电子探针和万能试验机对接头组织、成分和性能进行分析,探索泡沫Ti/AlSiMg复合钎料在SiC陶瓷钎焊中的可用性. 结果表明,填充泡沫Ti/AlSiMg复合钎料所得接头结构为SiC/Al/Ti(Al,Si)₃/Ti(Al,Si)₃原位增强Ti基钎缝/ Ti(Al,Si)₃/Al/SiC,断裂发生在铝合金界面层和SiC陶瓷之间,Ti元素的溶入提高了铝合金界面层与SiC陶瓷之间的界面结合力,接头抗剪强度达111 MPa.     

SiC_p/2024AlMMC颗粒暴露及钎焊行为分析

介绍了焊接参数对SiCp/2024Al铝基复合材料的真空钎焊组织和性能的影响.焊前利用颗粒暴露技术将复合材料表面颗粒部分暴露,并利用真空气相沉积使暴露表面合金化.使用M6钎料,在不同的钎焊工艺参数下对复合材料进行焊接.结果表明,焊接温度过低或者保温时间过短,钎缝结合面有残留的Cu,钎料对复合材料润湿不好.随钎焊温度增加,保温时间的进一步延长,Cu与Al基体完全反应,促进了钎焊过程.但随着钎焊温度和保温时间的进一步增加,母材中出现过烧导致的气孔.钎焊接头X射线衍射试验表明,接头中没有Al4C3脆性相生成.拉伸试验表明,钎焊参数为620℃,保温20min时,接头抗剪强度最高,达到202MPa.断口分析表明,钎料对复合材料的不润湿,复合材料过烧导致气孔,复合材料中颗粒的聚集是导致接头强度下降的主要原因.     

银基钎料活性钎焊C/SiC-Ti55与Al2O3-Ti55接头界面组织

以Ag-28Cu和Ag-9Pd-9Ga两种银基钎料钎焊C/SiC复合材料和Al2O3陶瓷与Ti55钛合金接头,考察了钎料和钎焊工艺对接头焊缝组织形貌变化影响. 结果表明,采用Ag-28Cu钎料在850～920 ℃温度区间钎焊C/SiC-Ti55和Al2O3-Ti55接头均在陶瓷基体近钎焊界面区域开裂,原因为Ti55合金中Ti元素大量溶解扩散并与铜反应生成的大量脆性Cu-Ti化合物恶化焊缝塑性. Ag-9Pd-9Ga钎料则可以获得完整接头,钎焊过程中Pd,Ga元素在Ti55侧钎焊界面富集并与Ti元素反应生成PdTi, Ti2Ga, Ti4Pd化合物的反应层,有效抑制了元素往焊缝中的溶解扩散.     

粉末冶金制备50%SiC_p/Al复合材料的结构及性能

采用球磨加常压烧结的粉末冶金工艺制备50%SiC_p/6061Al(体积分数)复合材料,研究了烧结温度对该高体积分数SiC_p/Al复合材料结构与性能的影响。结果表明:球磨有利于形成成分均匀的50%SiC_p6061Al复合粉体;随着烧结温度的升高,50%SiC_p/6061Al复合材料的致密度及抗弯强度先增后减。710℃烧结的复合材料性能最佳,致密度达到97%,抗弯强度大于400 MPa。该复合材料中SiC_p呈解理断裂,而Al合金基体呈韧性撕裂的断裂特征。750℃烧结的50%SiC_p/6061Al复合材料中,SiC_p/Al界面反应加剧,生成较多的Al4C3相,导致复合材料结构劣化,性能降低。     

Al2O3P/Al复合材料钎焊的试验研究

针对Al2O3P/Al复合材料，选用铝基HL401作钎料，选用QJ201为钎剂，在炉中氩气保护下进行钎焊．试验研究了其焊接工艺参数对接头强度的影响。试验表明：采用炉中氩气保护下钎焊Al2O3P/Al复合材料完全可行，用所选择的合适的钎料和钎剂，在优化的工艺参数条件下可获得优质的焊接接头。     

高体积比与低体积比SiC_P/Al复合材料真空钎焊工艺研究

采用Al66Si5Cu26Zn2Ti1钎料真空钎焊65vol%Si CP/Al复合材料与20vol%SiCP/Al复合材料,并对钎焊接头进行了显微组织分析、能谱分析、剪切强度测试及气密性分析。结果表明:Al66Si5Cu26Zn2Ti1钎料能够实现镀镍65vol%SiCP/Al复合材料与20vol%SiCP/Al复合材料的钎接;Ti阻止了SiC与Al的界面反应;结合生产效率和生产成本,570℃×20 min为最优工艺。     

Zn-Al钎料成分对Cu/Zn-Al/Al钎焊接头界面结构及性能的影响

分别采用Zn-15Al,Zn-22Al,Zn-28Al,Zn-37Al和Zn-45Al钎料钎焊获得Cu/Al接头.利用SEM,EDS和XRD研究了Zn-Al钎料成分对Cu/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构的影响,并系统阐述了Zn-Al钎料成分-接头界面结构-接头抗剪切强度之间的关系.研究发现,Cu/Zn-15Al/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7,且Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层较薄,其厚度为2~3μm,接头具有较高的抗剪切强度,达66.3 MPa.随着钎料中Al含量的提高,在Cu/Zn-22Al/Al接头界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层的厚度逐渐增大,甚至在Cu/Zn-28Al/Al接头的Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层附近出现少量的Cu Al2,接头的抗剪切强度逐渐降低.当采用Al含量较高的Zn-37Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7/Cu Al2;脆性Cu Al2层的出现,使接头抗剪切强度大幅下降,为34.5 MPa.当采用Al含量最高的Zn-45Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Cu Al2,接头抗剪切强度最低,为31.6 MPa.     

高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的超声波钎焊

研究了大气条件无钎剂作用下,SiC颗粒体积分数为55%的SiCp/A356 复合材料的超声波辅助钎焊的性能,在焊接过程中采用了Zn-Al钎料,研究结果表明,当超声波作用时间为0.5 s时,在钎料与复合材料界面处大部分位置氧化膜仍然连续.当超声波作用时间增加到5 s时,焊接接头区域的氧化膜完全消失,有一些铝枝晶从母材向Zn-Al合金中生长,使Zn-Al合金能够完全润湿复合材料基体合金,形成良好的冶金结合.并且随着超声振动时间的延长,液态Zn-Al合金能够逐渐润湿复合材料表面裸露的SiC增强相颗粒,接头的剪切强度由0.5 s的54.3 MPa增加到5 s的155.6 MPa,和母材的剪切强度接近(159.9～178.1 MPa).     

采用复合钎料加压钎焊70%SiCp/Al复合材料

采用机械球磨的方法制备了Al-Si-xSiC(x为体积分数)复合钎料,采用复合钎料实现了70%SiCp/Al复合材料的加压钎焊连接. 利用SEM和EDS确定了钎缝是由α-Al,Si,SiC,Al₂O₃等相组成. 结果表明,在压力作用下SiC颗粒被固定在钎缝区而使得钎缝区的组织类似于复合材料,钎缝中一定的SiC颗粒可以缓解母材与金属钎料之间的热膨胀系数之差,从而减小了焊接残余应力,可以提高接头的强度,而钎焊施加一定的压力则可促进钎料与SiC颗粒的润湿性. 工艺适当时,接头最高强度达到125.7 MPa.