高体积分数SiC_p/Al电子封装复合材料的钎焊综述（英文）

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Al_2O_3和SiO_2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。     

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.     

Ag-Cu基复合钎料钎焊SiC陶瓷

向Ag-Cu-Ti粉末添加碳化硅颗粒(SiC_p)增强相构成复合钎料,用于钎焊SiC陶瓷材料,借助扫描电镜(SEM)观察钎焊接头内部组织,采用万能试验机测试焊缝剪切强度。结果表明,在Ag-Cu基钎料及活性Ti成分一定的条件下,V_(SiC_p)在10%～15%时,接头中SiC_p均匀分布,且其与Ag-Cu-Ti钎料基体组织结合紧密,形成强毛细作用,促进接头内活性元素Ti的扩散能力,在SiC陶瓷/钎料界面形成约4μm致密层,成分相主要由TiC、Ti_5Si_3、Ti_3SiC_2组成。SiC_p含量为15%时,接头处的剪切强度提高至138 MPa。该成分钎料不仅具有较好的填缝能力,而且显著优化接头的力学性能,是一种很有潜力的钎焊陶瓷的复合钎料。     

Cf/SiC复合材料与钛合金(Ti-Zr-Cu-Ni)+W复合-扩散连接

采用(Ti-Zr-Cu-Ni)+W复合钎料作为连接层,在连接温度930℃,保温时间5min的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与钛合金.利用SEM,EDS和XRD分析接头微观组织结构,利用剪切试验测试接头力学性能.结果表明,钎焊时复合钎料中的钛、锆与C/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面生成Ti3SiC2,Ti5Si3和少量TiC(ZrC)化合物的混合反应层,连接层的铜、镍与钛合金中的钛发生相互扩散,在连接层与钛合金界面形成Ti-Cu化合物过渡层.对钎焊接头进行900℃,保温60 min扩散处理后,连接层组织达到均一化,母材TC4合金侧过渡层增厚.扩散处理后接头强度为99 MPa,较钎焊接头强度65 MPa提高了52％.     

SiC_P/Al复合材料的钎焊工艺研究

采用Zn98Al和Zn72.5Al两种Zn-Al药芯钎料对SiCP/Al复合材料进行氩气保护钎焊试验,研究了钎焊温度和保温时间对接头剪切强度及显微组织的影响。结果表明,用这两种钎料在氩气保护炉中钎焊SiCP/Al复合材料,可以获得质量良好的钎焊接头。对Zn98Al钎料,当温度为490℃、保温45min时可获得剪切强度为71.01MPa的钎焊接头;而Zn72.5Al钎料,在温度为560℃、保温11 min时可获得剪切强度为63.71MPa的钎焊接头。两种钎料的钎焊接头显微硬度均略低于母材。两种接头钎缝区的XRD相结构分析发现,钎缝中都只存在α(Al)和β(Zn)两相;接头断口扫描观察显示,接头整体呈韧性断裂特征。     

保温时间对SiC_P/Al6061复合材料真空钎焊接头组织性能的影响

采用Al5Si28Cu1.5Ti钎料,在真空钎焊炉中钎焊SiCP为55%的SiCP/Al6061铝基复合材料,钎焊温度580℃,研究了保温时间对接头组织性能的影响。结果表明,活性钛元素提高了钎料对复合材料的润湿性,保温40 min接头的组织性能最好,剪切强度为84 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.     

Ag-Cu-Sn-Ti活性钎焊Gr/2024Al复合材料与TC4钛合金

采用自制的AgCuSnTi钎料对发汗材料Gr/2024Al复合材料和TC4钛合金进行钎焊,对焊后接头界面组织及力学性能进行了分析.结果表明,接头典型界面组织为Gr/2024Al/Ti₃AlC₂/Ag₂Al+Ag₃Sn+Al₂Cu+Al₅CuTi₂/Al₅CuTi₂+Ag₃Sn/TC4.钎焊时,活性元素Ti与Gr/2024Al复合材料的石墨基体发生活性反应,实现了TC4与Gr/2024Al复合材料的低温连接,保证了复合材料的力学性能及发汗功能.随钎焊温度升高及保温时间延长,钎缝组织中弥散分布的Al₅CuTi₂化合物聚集长大成块状,使接头性能下降.当钎焊温度为680℃,保温时间为10min时接头抗剪强度达到最大值17MPa,其为Gr/2024Al复合材料母材强度的70%.     

高体积分数SiC_P/6063Al复合材料真空钎焊工艺及润湿机理研究

采用Al-Si-Cu-Mg-Ni五元合金钎料对60vol%SiC P/6063Al复合材料进行真空钎焊,研究了钎焊温度和保温时间对其接头剪切强度的影响,并利用金相显微镜、扫描电镜及能谱分析的方法对接头形貌及界面组织进行了观察分析。结果表明,随着钎焊温度和保温时间的增加,熔融钎料对复合材料的润湿性提高,钎料通过扩散与基体形成冶金结合,在565℃保温12 min后,接头剪切强度最大89.6 MPa,但在高温下随着保温时间的延长,钎缝中Mg元素蒸发聚集形成气孔,从而导致接头结合强度降低。     

SiC颗粒增强铝基复合材料钎焊技术研究

采用Al-28Cu-5Si-2Mg钎料，对SiCp／2024Al复合材料进行真空钎焊连接。试验结果表明：钎焊温度、保温时间、SiC颗粒的体积分数以及焊后时效处理均会影响SiCp／2024Al复合材料钎焊接头的连接强度；钎缝中有少量SiC颗粒存在，且分布不均匀；在靠近母材处出现贫化区，在钎缝中心两侧有较小的集聚区。提高液态钎料对SiC的润湿性，降低连接区的弱连接比例，减少过渡到钎缝的SiC颗粒，都是改善钎焊连接强度的重要途径。     

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。     

C_f/SiC复合材料与钛合金Ag-Cu-Ti-C_f复合钎焊

采用Ag-Cu-Ti-Cf(Cf:碳纤维)复合钎料作中间层,在适当的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与钛合金,利用SEM,EDS和XRD分析接头微观组织结构,利用剪切试验检测接头力学性能.结果表明,钎焊时复合钎料中的钛与Cf/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面形成Ti3SiC2,Ti5Si3和少量TiC化合物的混合反应层.复合钎料中的铜与钛合金中的钛发生互扩散,在连接层与钛合金界面形成不同成分的Cu-Ti化合物过渡层.钎焊后,形成碳纤维强化的致密复合连接层.碳纤维的加入缓解了接头的残余热应力,Cf/SiC/Ag-Cu-Ti-Cf/TC4接头抗剪强度明显高于Cf/SiC/Ag-Cu-Ti/TC4接头.     

真空热处理对Al2O3陶瓷化学镀Ni-P膜及金属钎焊接头的影响

采用化学镀Ni-P膜法金属化Al2O3陶瓷,并用63Sn-34Pb-2Ag-1Bi钎料膏实现了95%Al2O3陶瓷与45钢之间的低温钎焊.为提高镀膜结合强度并最终提高钎焊接头强度,钎焊前对镀膜陶瓷进行真空热处理.研究了钎焊前真空热处理对Ni-P膜显微组织、钎焊接头显微结构及其强度的影响.结果表明,150～650 ℃高真空热处理会改变Ni-P膜的显微组织,且适当热处理可显著提高钎焊接头强度,在350℃保温1 h可使接头剪切强度到达最高值38 MPa.接头显微结构一般为Al2O3陶瓷/Ni-P镀层/扩散层Ⅰ/富Sn层/钎缝金属层/扩散层Ⅱ/45钢.剪切断裂主要发生在Al2O3陶瓷/Ni-P镀层界面附近,少量扩展到钎缝金属中.     

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.     

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.     

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。     

(Ag-Cu-Ti)+(Ti+C)复合钎料钎焊Cf/SiC复合材料与TC4钛合金

Ag-Cu-Tj复合钎料中加入Ti粉和石墨碳粉作为中间层,在适当的工艺条件下真空钎焊Cf/SiC复合材料与TCA.利用SEM,EDS,XRD分析接头微观组织,利用剪切试验检测接头力学性能.结果表明:钎焊时,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由Ti3、SiC2相、Ti5Si3相和少量TiC化合物组成的混合反应层.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Ti含量的Cu-Ti化合物过渡层.钎焊后,连接层中Ti和石墨碳反应形成的TiC微粒均匀分布在复合连接层中,缓和了接头的热应力.当连接温度为910℃,保温时间为25 min时,可得到接头剪切强度为145 MPa.     

SiCp/Al复合材料与Fe36Ni合金超声波钎焊

利用超声波钎焊方法使用ZnAlSi钎料实现了Fe36Ni合金与45%SiC_p/2024Al和55%SiC_p/A356两种复合材料的连接,并得到由SiC颗粒增强的复合焊缝.通过扫描电镜、能谱等方法对焊缝的微观结构以及断口形貌进行了观察,对接头的压剪强度进行了测试,分析了Fe36Ni与两种复合材料钎焊接头微观组织和接头强度的差异.结果表明,在Fe36Ni与两种复合材料的钎缝中,钎料与两侧母材界面均形成良好的冶金结合,SiC颗粒均匀分布于焊缝中.Fe36Ni与45%SiC_p/2024Al的接头抗剪强度为110~145 MPa,Fe36Ni与55%SiC_p/A356的接头抗剪强度为75~85 MPa.Fe36Ni与45%SiC_p/2024Al的接头断裂位置为钎缝中,而Fe36Ni与55%SiC_p/A356的接头断裂位置位于Fe36Ni与钎料的界面上.     

铝基复合材料；真空钎焊；接头强度；断裂分析

采用Al-28Cu-5Si-2Mg钎料，在真空高频感应条件下对SiCp/LY12复合材料进行了钎焊连接。试验结果表明：钎焊温度、保温时间、SiC颗粒的体积分数以及焊后时效处理均会影响SiCp/2024Al复合材料钎焊接头的连接强度：钎缝中有少量SiC颗粒存在，且分布不均匀。在靠近母材处出现贫化区，在钎缝中心两侧有较小的集聚区。SiCp/LY12复合材料钎焊接头的断裂是由于钎缝金属中的SiC颗粒成为裂源，裂纹沿钎缝作低能量撕裂所致。     

Al2O3弥散强化铜与T2铜的真空钎焊工艺研究

使用Ag-Cu-Ti钎料以及Ag-Cu-Ti+BAg72Cu复合钎料对Al2O3弥散强化铜与T2铜进行真空钎焊,研究了钎焊温度和保温时间对钎焊接头组织和性能的影响。结果表明,温度过低,钎料与母材相互冶金作用较弱,接头性能较差;温度过高或保温时间过长,钎料向弥散强化铜中毛细渗入严重,焊缝中出现孔洞,接头强度也下降。利用Ag-Cu-Ti+BAg72Cu复合钎料进行钎焊能有效提高接头强度。