活性耐腐蚀snzn基钎料及其制备方法与低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:9718134阅读:834来源:国知局
活性耐腐蚀snzn基钎料及其制备方法与低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊技术领域,具体涉及一种活性耐腐蚀 snzn基钎料及其制备方法,以及低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝合金、镁合金的方 法。
【背景技术】
[0002] 随着rohs指令禁止在电子产品中使用对环境有害的铅元素,snzn基钎料由于其较 低的熔点,作为一种无铅钎料,在电子产业中受到关注,具有潜在的应用前景。
[0003] snzn的共晶温度为198.5°c,要比snagcu的共晶温度217°c低将近20°c。因此,snzn 基无铅钎料在电子产业中应该作为无铅钎料的首选。但是,由于zn具有较强的活性并且在 钎料表面生成的zno是一种多孔结构,因此,snzn基钎料极易腐蚀并且多孔的zno不能很好 地保护钎料基体。故而,snzn基钎料的抗腐蚀性能和抗氧化性能有待进一步的提高。
[0004] 陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化性等优点。可以用作结构材料、刀具材 料。同时,陶瓷还因其特殊的性质被用作功能材料。蓝宝石是陶瓷中最常用的一种。
[0005] 蓝宝石具有良好的力学性能和光学性能。被应用于很多民用高科技领域当中,例 如医疗器械、激光设备和高真空设备中。蓝宝石的焊接来源于两个需求:一方面是蓝宝石与 金属之间可靠的密封连接;另一方面是将小尺寸的蓝宝石焊接成大尺寸窗口。目前广泛使 用的蓝宝石焊接方法有胶接法、反应烧结法和活性反应钎焊法。通过胶接法连接蓝宝石,接 头中的高分子抗老化性能较差。反应烧结法得到的焊缝中存在大量孔隙缺陷,成为焊缝断 裂过程中的裂缝源。钎焊是实现陶瓷材料连接最常用的方法,目前广泛应用的钎焊蓝宝石 的活性钎料主要是ag-cu-ti钎料。通过活性元素 ti与蓝宝石界面处活化反应形成界面连 接。整个焊接过程需要850°c高温及真空环境才能实现连接。由于焊缝中钎料的热膨胀系数 远远大于蓝宝石的热膨胀系数,从高温(850°c)冷却到室温的过程中,焊接接头留有很大的 残余应力,成为接头开裂的主要原因。
[0006] 本专利采用活性耐腐蚀snzn基钎料低温超声钎焊蓝宝石,通过在snzn基钎料中加 入活性元素 al,以提高钎料的活性,并且施加超声进一步的激活,成功实现了低温超声钎焊 蓝宝石。同时,在snzn基钎料中加入抗腐蚀性的ag元素,使得钎料的抗腐蚀性能大大的提 尚。

【发明内容】

[0007] 本发明解决应用现有活性钎料钎焊蓝宝石只能在高温(850°c)下钎焊,并且难于 形成有效连接、冷却过程中由于残余热应力而造成焊缝开裂的问题;而提供了超声低温 snzn基钎料及其超声钎焊蓝宝石方法。
[0008] 为解决上述技术问题,本发明的活性耐腐蚀snzn基钎料化学组成以质量百分比计 为:1.0~10·0%ζη,0·25 ~2.5%ag,0.01 ~1·0%α1,0·01 ~0.05% 混合稀土,余量为sn;所 述混合稀土按重量百分比是由40 %~60 % ce、10%~30% la、10~15% nd和余量为pr组成。 其制备方法是按下述步骤进行的:将ag放入到坩埚中,将马弗炉加热到1000°c,并向其中充 ar气,将坩埚放入到马弗炉中,保温直到ag完全融化,相继加入al、zn、sn以及混合稀土re, 然后保温20~60分钟;冷却后得到活性耐腐蚀snzn基钎料。
[0009] 活性耐腐蚀snzn基钎料低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法是按 下述步骤进行的:
[0010] 步骤一、取两块陶瓷或者一块陶瓷和一块陶瓷基复合材料或者两块陶瓷基复合材 料或者铝、镁合金作为待焊接件,置于丙酮中超声清洗;
[0011]步骤二、将权利要求1所述的活性耐腐蚀snzn基钎料压片,片的厚度为0.3~ 0.5mm,剪裁成与待焊接件相对应的尺寸,得到钎料片;
[0012]步骤三、将步骤二中钎料片夹在步骤一处理后待焊接件的待焊面之间得到待焊 件,然后将待焊件放入卡具中卡紧;
[0013] 步骤四、施加0.2~impa的压力,将超声工具头直接压在步骤三卡具中的待焊件 上,大气环境下,加热到270~300°c,施加振幅为5μπι的超声波进行超声辅助钎焊50~ 1000 s0
[0014] 本发明采用以al元素作为活性元素、ag为耐腐蚀性元素的snzn基钎料,实现了在 较低的温度下(270~300°c)超声钎焊连接陶瓷、蓝宝石及含陶瓷基复合材料如含有陶瓷颗 粒的铝合金、镁合金、钛合金等,以及玻璃、硅片,铝合金、镁合金等。本发明避免了接头的开 裂,实现了陶瓷和/或陶瓷基复合材料的有效连接,特别是蓝宝石的焊接。
[0015] 相比现有技术本发明的优点在于:
[0016] l、snzn基钎料不仅仅用于电子产业中的cu焊盘互连的传统应用当中,而且被开发 出来,作为低温超声钎料应用于陶瓷和/或陶瓷基复合材料的超声钎焊当中。
[0017] 2、zn元素的活性较强,与陶瓷具有较好的亲和力,zn元素的加入使得焊缝强度有 车父大的提尚。
[0018] 3、本发明以al为钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的活性元素,通过al向钎料与陶 瓷和/或陶瓷基复合材料界面扩散反应生成al 2o3纳米颗粒过渡层,而该al2o3纳米颗粒过渡 层实现了钎料与陶瓷和/或陶瓷基复合材料基底的有效连接。
[0019] 4、元素 al具有较高的活性,al的加入可以在钎料熔炼的过程中在熔体的表面偏 聚,形成的al2o3氧化膜具有很高的致密性,防止了合金基体的进一步氧化。同时,钎料中al 的含量仅为微量,以防止al含量较多生成较厚的al2o3氧化膜,降低钎料与陶瓷基体的润湿 性。
[0020] 5、ag元素的加入提高了钎料合金的塑性、增加了抗腐蚀性能。当ag的含量达到 1.5 %时,钎料的延伸率从30%提升到60 % 元素的加入使得钎料在较湿及腐蚀环境下的 抗腐蚀能力有所提尚。
[0021] 6、由于钎料片的尺寸较薄,超声作用于窄间隙时,超声损耗较小,使得超声作用得 到增强。在snzn基钎料与陶瓷或陶瓷基复合材料的界面生成的al2o3纳米颗粒层的厚度得到 增强,从而使焊缝的强度得到显著的提高。
[0022] 7、本发明中,通过snzn基钎料片及超声辅助钎焊,实现了低温下(270°c)蓝宝石的 连接。而现有活性钎料钎(ag-cu-ti钎料)焊蓝宝石的温度(850°c),由于蓝宝石和钎料的热 膨胀系数不匹配,导致在较大的冷却温差下,焊缝中残余应力累积,从而使得焊缝开裂。
[0023] 8、现有活性钎料(ag-cu-ti钎料)钎焊蓝宝石需要在真空炉中进行,对焊接环境的 要求比较苛刻。而本发明的活性耐腐蚀snzn基钎料在大气环境中就能在超声辅助下钎焊蓝 宝石,并且实现有效连接。
[0024] 9、ti的价格昂贵,而al的价格比较低廉,以al作为活性元素的钎料可以使生产成 本有所降低。
[0025] 10、混合稀土 re的加入可以显著提高活性元素 al在陶瓷及陶瓷基复合材料中陶瓷 表面的润湿,促进反应连接;同时混合稀土re的加入可以细化snzn基钎料的组织,增加焊缝 的强度。
[0026] 11、高强铝合金在高温下焊接会对母材产生不利影响,降低了母材强度。而采用本 发明的活性耐腐蚀snzn基钎料能在低温下焊接铝合金,从而避免了铝合金母材强度的降 低。
【附图说明】
[0027]图1为超声辅助钎焊蓝宝石示意图;图2为活性耐腐蚀sn9znlag0.5al钎料合金dsc 曲线;图3为制备的活性耐腐蚀snzn基钎料合金的sem图像;图4为相同方法制备的sn9zn钎 料合金的sem图像;图5为超声钎焊后接头组织形貌sem图像;图6为活性耐腐蚀 sn9znla10.5ag钎料合金的极化曲线;图7为sn9zn钎料合金的极化曲线;图8为焊接接头剪 切强度随zn元素的变化;图9焊接接头剪切强度随超声振幅的变化;图10为焊接接头剪切强 度随稀土元素加入的变化;图11为蓝宝石/钎料界面生成的纳米al 2o3颗粒sem图像;图12为 活性元素 al与al2o3界面接触原子排列示意图;图13为活性元素 al与al2o3反应外延生长 al2o3薄层示意图;其中图1中的1 一待焊上蓝宝石、2-待焊下蓝宝石,3-钎料、4 一超声工具 头、5-加热线圈、6-固定模具,7-可变尺寸夹具。
【具体实施方式】
[0028]【具体实施方式】一:本实施方式中活性耐腐蚀snzn基钎料的化学组成见表1:
[0029] 表1为低温超声snbi基钎料的化学成分(以重量百分比计)
[0031]其中,微量混合稀土 (re)的化学组成见表2:
[0032]表2为混合稀土 (re)的化学成分(以重量百分比计)
[0034]本实施方式中活性耐腐蚀snzn基钎料的制备方法如下:
[0035]将ag放入到坩埚中,将马弗炉加热到1000°c,并向其中充ar气,将坩埚放入到马弗 炉中,保温直到ag完全融化,相继加入一定成分的六1、511、8丨、以及混合稀土1^,然后保温30 分钟;冷却后得到活性耐腐蚀snzn基钎料。
[0036]本实施方式中活性耐腐蚀snzn基钎料超声钎焊蓝宝石方法是按下述步骤进行的: [0037] 步骤一、将待焊的蓝宝石置于丙酮中超声清洗iomin;
[0038]步骤二、活性耐腐蚀snzn基钎料通过乳机乳制,或通过甩带机旋转甩带中进行压 片,用螺旋测微仪测量钎料片厚度,直到钎料片厚度为0.5mm,并且剪裁成iocmx iocm的尺 寸;
[0039] 步骤三、将步骤二中钎料片夹与步骤一处理后的两块蓝宝石的待焊面之间组成待 焊件,然后将待焊件放入卡具中卡紧;
[0040] 步骤四、施加0.2mpa压力,将超声工具头直接压在步骤三卡具中的蓝宝石焊件上, 大气环境下,加热到270°c,设定超声振幅为5μπι,超声波施加时间为50s,进行超声辅助钎 焊,如图1所示。
[0041] 对本实施方式的超声低温snzn基钎料液相线温度进行准确测量,进行热差分析, 结果如图2所示。通过dsc曲线得知,液相线起始温度218.6°c,结束温度为245.3°c。通常,钎 焊温度为液相线温度以上几十度。故而设定温度为270~300°c,实现低温下钎焊蓝宝石。 [0042] 活性耐腐蚀sn9znlago. 5a1钎料合金的微观组织的sem图如图3所示。sem图中圆形 黑色颗粒为y_agzn(ag5zn8)金属间化合物相(dc相),棒状黑色为富zn相,基体为i3-sn e-agzn二元共晶组织。
[0043] sn9zn钎料的微观组织sem图如图4所示。sem图中黑色棒状为富zn相,基体为β-sn 和snzn共晶组织。
[0044] 采用活性耐腐蚀sn9znlag0.5al钎料
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