碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的真空軟釬焊技術

王東斌 徐冬霞 范曉杰

摘? 要：SiCp/Al復合材料具有廣闊的應用前景，由于連接技術的制約，其實際應用受到限制。軟釬焊技術是目前能夠?qū)崿F(xiàn)復合材料低溫連接的理想方法之一。文章概括了SiCp/Al復合材料真空軟釬焊技術的研究現(xiàn)狀，著重介紹了采用錫基釬料進行復合材料真空軟釬焊的研究工作，分析了目前SiCp/Al復合材料真空軟釬焊技術中存在的一些問題，并提出了相應的改善措施和解決思路，以提高SiCp/Al復合材料真空軟釬焊的接頭質(zhì)量。

關鍵詞：碳化硅? 顆粒增強鋁基復合材料? 真空軟釬焊? 錫基釬料

中圖分類號：TB333;TG454? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（c）-0082-03

Abstract： SiCp/Al composites have broad application prospects， while their practical application is limited due to the restriction of connection technology. At present， soldering technology is one of the ideal methods to realize low temperature bonding of composite materials. This paper summarizes the research status of vacuum soldering technology for SiCp/Al composites. The research work of vacuum soldering of composite materials with tin based filler metal is mainly introduced.The corresponding improvement measures and solutions are put forward to improve the quality of vacuum soldering joint of SiCp/Al composites.

Key Words： SiCp/Al composite;Vacuum brazing;Tin based filler metal

碳化硅顆粒增強鋁基（簡稱SiCp/Al）復合材料作為一種性能優(yōu)異的結構材料，在航空航天、汽車制造、電子封裝等領域具有廣泛的應用前景。但是，由于SiCp/Al復合材料的基體和增強相之間的物理、化學性能差異很大，導致其連接困難，成為該類材料走向工業(yè)化應用的嚴重障礙。其中釬焊由于具有加熱溫度低、應力和變形小、可整體加熱等優(yōu)點，在SiCp/Al復合材料的連接上具有極大的潛力。尤其是需要在較低溫度下完成元器件封接的電子封裝領域，軟釬焊技術更是發(fā)揮了巨大優(yōu)勢。本文對SiCp/Al復合材料真空軟釬焊技術的研究現(xiàn)狀和存在的問題進行了概述。

1? SiCp/Al復合材料的真空軟釬焊技術

軟釬焊是釬焊工藝的一個重要組成部分。它選用比母材熔化溫度低的軟釬料，采取低于母材固相線而高于釬料液相線的操作溫度，利用液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展與母材相互溶解和擴散以及在母材間隙中潤濕、毛細流動、填縫與母材相互溶解和擴散而實現(xiàn)母材的連接[1]。在電子封裝領域，為保護芯片和元器件的性能不受損壞，通常需要采用低溫封接技術實現(xiàn)器件的連接，因此，軟釬焊技術在電子封裝領域具有極大優(yōu)勢。

目前，在鋁基復合材料的連接技術中，真空釬焊應用較多，而且發(fā)展較快[2-3]。在這些研究工作中，根據(jù)使用的釬料成分和熔化溫度，可以劃分為兩大類：一類是使用以Al-Si合金為基體添加其他合金元素（如Cu、Ti、Mg、稀土等）組成的鋁基釬料進行真空釬焊，這類釬料的溫度通常在450℃以上，屬于硬釬焊范疇;另一類是使用以Sn為主要組元添加其它合金元素（如Ag、Cu、Bi、稀土等）的錫基釬料進行真空釬焊，這類釬料的熔化溫度較低，通常不超過300℃，屬于軟釬焊范疇[1]。為方便敘述，對于使用這類低溫釬料進行的真空釬焊技術稱之為真空軟釬焊。

范曉杰[4]采用Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi釬料對化學鍍鎳的SiCP/6063Al復合材料進行了真空軟釬焊研究。結果表明，化學鍍鎳可以改善釬料對復合材料的潤濕性，進而提高接頭的致密性和力學性能。釬焊過程中，釬料與鎳層原子相互擴散在界面發(fā)生化學反應生成連續(xù)的金屬間化合物，使釬料與母材形成良好的冶金結合，獲得優(yōu)良的釬焊接頭。釬料中的Bi元素能夠抑制界面金屬間化合物的生長，隨著釬焊溫度的升高和保溫時間的延長，界面金屬間化合物層逐漸變厚，晶粒尺寸變大。同時，鍍鎳層的厚度也影響釬焊接頭的剪切強度。

張波[5]研究了商用Sn-3.5Ag-0.5Cu釬料對70vol.%SiCp/Al的潤濕性、釬焊及其界面與接頭性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)：Sn-3.5Ag-0.5Cu釬料在未鍍鎳的SiCp/Al復合材料上幾乎不發(fā)生潤濕鋪展，潤濕性很差;而在鍍鎳后的SiCp/Al復合材料上表現(xiàn)出良好的潤濕性，并且釬料與鎳層發(fā)生了強烈的反應及元素擴散。在300℃時，采用Sn-3.5Ag-0.5Cu釬料與鍍鎳后SiCp/Al復合材料進行釬焊，能夠獲得良好的釬焊接頭，釬料與母材結合緊密，無氣孔等缺陷，接頭強度高。因此，鍍鎳層顯著改善了釬料在SiCp/Al復合材料表面的潤濕性，提高了釬焊接頭質(zhì)量，但是剪切過程中鍍鎳層被釬料撕裂，說明鍍鎳層與復合材料的結合強度還有待進一步提高。

雷玉珍等[6]采用Sn3.0Ag0.7Cu釬料對表面電鍍銅后的增強相體積為45%的SiCp/2024Al復合材料和表面化學鍍銅后的SiC陶瓷進行釬焊。結果表明，釬料對電鍍銅后的SiCp/2024Al復合材料和化學鍍銅后SiC陶瓷的潤濕性均良好，能夠?qū)崿F(xiàn)對兩種母材的軟釬焊，在260℃下保溫0.5min能得到剪切強度為24MPa的接頭，焊縫組織致密，斷裂部位發(fā)生在鋁基復合材料與電鍍銅結合處以及電鍍銅層較薄弱處，化學鍍銅層與基體的結合強度高于電鍍銅層。

金家富等[7]利用低溫真空釬焊設備，選用Au-Sn焊料對可伐合金和鋁碳化硅復合材料進行了低溫釬焊，通過對焊接工藝參數(shù)（焊接溫度、保溫時間和焊接壓力等）進行優(yōu)化設計，獲得了氣密性合格的盒體零件。

近年來，一些新型軟釬料合金、新型輔助釬焊方法相繼出現(xiàn)和應用，例如在釬料中添加稀土元素，采用超聲波、電磁輔助等方式對陶瓷或復合材料進行真空軟釬焊，可以有效提高軟釬料對復合材料的潤濕性，得到質(zhì)量良好的釬焊接頭。

為克服接頭熱應力大和連接體系低溫潤濕結合困難的難題， 吳炳智分別采用低熔點的Zn基釬料和Sn基釬料對SiC陶瓷進行軟釬焊[8]。結果表明，超聲作用影響接頭結合層組織的細化，延長超聲時間后，采用Zn5Al釬料與Zn5Al3Cu釬料對SiC陶瓷釬焊的接頭剪切強度相當。采用Sn9Zn2Al釬料，利用超聲輔助活性軟釬焊方法實現(xiàn)了SiC陶瓷自身及與Cu的高可靠直接釬焊。另外， 還采用Sn3.5Ag4Ti釬料實現(xiàn)了SiC陶瓷的超快速低溫釬焊， 焊接時間短，接頭強度高，可滿足多數(shù)電子器件封裝的使用需求。這種活性軟釬焊方法對于SiCp/Al復合材料的低溫釬焊技術具有重要的借鑒價值。

2? 碳化硅顆粒增強鋁基復合材料釬焊中存在的問題和解決思路

盡管目前對SiCp/Al復合材料的真空軟釬焊做了大量的研究工作，并且取得了一定的成果，但由于SiCp/Al復合材料本身焊接性很差，給研究工作的進展帶來了一定的困難，釬焊過程中存在一些問題：

（1）軟釬焊接頭強度通常較低。由于軟釬料和復合材料母材的成分、性能相差較大，軟釬焊接頭與母材不可能達到等強度，因此，軟釬焊接頭的承載強度較低，只適用于一些對強度要求不高、需要低溫密封的器件制造工藝。

（2）SiCp/Al復合材料表面氧化膜的存在嚴重影響釬焊質(zhì)量。氧化膜Al2O3熔點高，具有很高的化學穩(wěn)定性，一般在軟釬焊過程中不發(fā)生熔化也不易被釬劑去除，嚴重影響釬料在母材表面的潤濕與鋪展，因此，焊前必須對母材及釬料進行嚴格的去氧化膜處理。

（3）軟釬料的成分和性能以及釬焊工藝對復合材料的釬焊接頭質(zhì)量起著至關重要的作用。首先，熔態(tài)的釬料與固態(tài)母材要有適當?shù)姆磻裕ㄒ簯B(tài)釬料和母材之間的固溶或金屬間化合物的生成），才能夠發(fā)生潤濕。同時，要求釬焊過程的溫度控制必須準確，溫度過低，不利于釬料的流動鋪展，難以實現(xiàn)連接;溫度過高，則容易引起母材表面金屬化層的過燒熔蝕，給釬焊過程帶來困難，因此，必須優(yōu)化釬料合金成分和嚴格控制釬焊工藝參數(shù)。

（4）SiCp/Al復合材料的表面金屬化情況顯著影響釬料對復合材料的潤濕性，復合材料表面的金屬化層能與釬料發(fā)生反應和元素擴散，形成金屬間化合物層，影響釬焊質(zhì)量和接頭強度。如何控制復合材料表面金屬化層的質(zhì)量，進而提高軟釬料在SiCp/Al復合材料上的潤濕能力也是一項關鍵工藝。

鑒于以上原因，國內(nèi)外許多科研工作者嘗試通過對鋁基復合材料表面金屬化，優(yōu)化釬料成分，設計和制備熔點更低、潤濕性更好的軟釬料，選擇合適的釬焊工藝參數(shù)等措施，改善軟釬料在鋁基復合材料上的潤濕鋪展，獲得質(zhì)量可靠的釬焊接頭，拓寬SiCp/Al復合材料的實際應用領域。

3? 結語

本文對SiCp/Al復合材料的真空軟釬焊技術研究現(xiàn)狀進行了概述，著重介紹了采用錫基釬料進行復合材料真空軟釬焊的研究工作，并對真空軟釬焊中存在的問題進行了分析，最后提出可以通過對鋁基復合材料表面金屬化、制備性能優(yōu)異的低溫釬料、選擇合適的釬焊工藝參數(shù)等措施，改善軟釬料在SiCp/Al復合材料上的潤濕能力，提高釬焊質(zhì)量，獲得優(yōu)質(zhì)的接頭和可靠的連接。

參考文獻

[1] 莊鴻壽，張啟運.釬焊手冊[M].3版：北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2] 郭磊磊.SiC顆粒增強鋁基復合材料連接技術研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2019，48（11）：6-9.

[3] 牛濟泰，程東鋒，高增，等.SiC顆粒增強鋁基復合材料的連接現(xiàn)狀[J].焊接學報，2019，40（3）：155-160.

[4] 范曉杰，徐冬霞，牛濟泰.Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi釬料對化學鍍鎳SiCP/6063Al復合材料真空釬焊接頭組織和性能的影響[J].材料導報，2016，30（4）：98-101.

[5] 張波.70%SiCp/Al復合材料的潤濕及釬焊研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2016.

[6] 雷玉珍，宋曉國，胡勝鵬.SiCp/2024Al復合材料與SiC陶瓷的軟釬焊[J].焊接，2016（3）：14-17.

[7] 金家富，楊程，霍紹新.可伐與鋁碳化硅復合材料氣密低溫釬焊工藝研究[J].電子與封裝，2016，16（3）：9-11.

[8] 吳炳智.SiC陶瓷超聲輔助活性軟釬焊界面結合機理及工藝研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2019.