本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于具有熱膨脹系數(shù)小、比剛度大、熱導(dǎo)率大，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，且熱膨脹系數(shù)(cte)與si等半導(dǎo)體芯片匹配好，常作為功率器件中封裝材料。與此同時(shí)，sic單晶作為半導(dǎo)體界公認(rèn)的具有發(fā)展?jié)摿Φ牡谌雽?dǎo)體材料，與si相比，它在應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)。目前sic是研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照微電子器件、電路等的理想材料，已成為目前國(guó)際軍事高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一，因而對(duì)于應(yīng)用于較為苛刻環(huán)境下的sic器件的封裝提出了新的要求。因此亟需開(kāi)發(fā)電子封裝領(lǐng)域用sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料低溫釬焊連接技術(shù)。

由于陶瓷與金屬釬料物理和化學(xué)性能差異較大，特別是低溫釬料如sn基釬料與陶瓷根本無(wú)法潤(rùn)濕，因此sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料直接低溫釬焊較為困難。目前解決這一問(wèn)題的主要方法是先對(duì)陶瓷或者鋁基復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)金屬化處理后再低溫釬焊。如中國(guó)專(zhuān)利201510866941.8“一種用于釬焊的氧化鋁陶瓷金屬化方法”為改善陶瓷的潤(rùn)濕性，采用真空磁控濺射、真空蒸鍍或離子鍍的方法在氧化鋁表面沉積ti、zr、mo或ni等金屬層，然后再進(jìn)行釬焊。中國(guó)專(zhuān)利200910073309.2“高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的火焰軟釬焊方法”和200910073340.6“高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與可伐合金的軟釬焊方法”為實(shí)現(xiàn)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的軟釬焊，現(xiàn)在復(fù)合材料表面化學(xué)鍍ni-p，然后在釬劑及保護(hù)氣氛下進(jìn)行軟釬焊，通過(guò)釬料與鍍鎳層產(chǎn)生互擴(kuò)散，形成結(jié)合。但是這種間接釬焊方法，金屬化層的質(zhì)量直接決定了釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度，這就對(duì)金屬化處理過(guò)程提出了更高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的直接釬焊，同時(shí)降低的連接溫度，中國(guó)專(zhuān)利201010108339.5“用于連接sic陶瓷的玻璃焊料、制備方法及應(yīng)用”，玻璃釬料主要成分為na2o、b2o3、sio2以及少量添加劑，通過(guò)調(diào)節(jié)幾種氧化物的配比，發(fā)現(xiàn)溫度達(dá)到1150℃時(shí)玻璃焊料在碳化硅陶瓷表面潤(rùn)濕角小于10°，潤(rùn)濕性良好。但是玻璃焊料需要經(jīng)過(guò)球磨過(guò)程，工藝繁瑣，而且釬焊溫度仍較高，且釬焊過(guò)程保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(10～180min)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳曉光(sic陶瓷與ti-6al-4v合金超聲波輔助釬焊的潤(rùn)濕結(jié)合機(jī)制及工藝研究[d]，2013)研究了利用alsi和znal釬料合金超聲釬焊連接sic陶瓷的方法。發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間需要超過(guò)8s才能使釬焊接頭達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)度值，且釬焊接頭強(qiáng)度偏低，與此同時(shí)釬焊溫度較高(450℃～600℃)。

綜上，目前的sic陶瓷和sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料低溫釬焊一般需要預(yù)金屬化處理再低溫釬焊，即間接釬焊法。直接釬焊的方法一方面釬焊溫度均偏高，另一方面釬焊周期均較長(zhǎng)。高的釬焊溫度和釬焊周期不僅會(huì)造成電子元器件的損傷，還會(huì)導(dǎo)致封裝材料內(nèi)部中存在較大殘余應(yīng)力導(dǎo)致其發(fā)生斷裂，影響使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決電子封裝領(lǐng)域用sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料低溫釬焊困難，間接釬焊法需要在釬焊前對(duì)母材表面預(yù)金屬化處理后再低溫釬焊，直接釬焊法釬焊溫度較高、釬焊周期長(zhǎng)的問(wèn)題，而提供基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法。

基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法，具體按下述步驟進(jìn)行的：

一、將待焊件用金剛石切割機(jī)切割成型，用金剛石磨盤(pán)進(jìn)行機(jī)械打磨并拋光處理，拋光至表面光潔度小于1μm，然后放入丙酮中超聲清洗5～30min，再采用無(wú)水乙醇超聲清洗5～20min后烘干，放入空氣燒結(jié)爐中隨爐加熱進(jìn)行高溫氧化處理，控制加熱升溫速率為10～25℃/min，升溫至500～1200℃，保溫30min～6h，然后隨爐冷卻至室溫；

其中待焊件為sic陶瓷或sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；

二、采用砂紙將釬焊用釬料合金表面氧化膜打磨去除，然后放入丙酮中超聲清洗5～20min，烘干備；

三、將步驟一處理的待焊件與步驟二處理的釬料合金用夾具組成釬焊件，放入加熱爐中，壓頭置于釬焊件上加壓至0.5～5mpa，控制升溫速率為5～15℃/min，將釬焊件加熱到210～500℃并保溫5～35min，將超聲頭施加到下層母材上，并開(kāi)啟超聲波振動(dòng)，控制振動(dòng)頻率為20-100khz，振幅為1～50μm，超聲作用時(shí)間為0.1～8s，然后隨爐冷卻或空冷至室溫，即完成所述基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法。

其中，待焊件為sic陶瓷，是sic質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為90％～99.8％的多晶陶瓷或sic質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于99.8％的高純單晶陶瓷。

待焊件為sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，是sic顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為20％～70％的鋁基復(fù)合材料。

釬料合金為zn基合金，其成分按質(zhì)量百分比計(jì)為al：0.1～10.5％、mg：0～3.8％、cu：0～5.5％、ti：0～6.0％和zn：余量，該釬料合金熔點(diǎn)為380～500℃。

釬料合金為sn基合金，其成分按質(zhì)量百分比計(jì)為zn：1.0～20.0％、al：0.1～12.0％、ag：0～4.7％、ti：0～6.5％、稀土ce：0.01～0.05％、稀土la：0.01～0.05％和sn：余量，該釬料合金熔點(diǎn)為210～350℃。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法中，先通過(guò)熱氧化處理對(duì)sic陶瓷或sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行表面改性處理，再利用zn基或者sn基釬料對(duì)sic陶瓷或sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行超聲釬焊。

優(yōu)點(diǎn)在于：

1、以增厚的sic表面氧化膜作為阻礙層，阻礙了釬料熔體與sic陶瓷的直接接觸和反應(yīng)，一方面避免了sic陶瓷的分解和破壞，另一方面抑制了界面易潮解相al4c3的生成，因而導(dǎo)致界面結(jié)合性能的惡化。

2、通過(guò)熱氧化技術(shù)可以制備各種不同厚度的氧化膜，其中，sic陶瓷表面氧化膜厚度達(dá)到55nm以上時(shí)，可完全阻礙釬料與sic陶瓷的直接接觸反應(yīng)。

3、采用超聲輔助釬焊，超聲施加在液態(tài)釬料熔體中，一方面可以破壞液態(tài)釬料的氧化膜，促進(jìn)潤(rùn)濕。另一方面，可以通過(guò)聲化學(xué)作用，促進(jìn)釬料與sic陶瓷或鋁基體表面氧化膜的界面反應(yīng)的進(jìn)行。

4、采用該方法解決了釬焊前需要預(yù)金屬化處理以及釬焊周期長(zhǎng)的問(wèn)題，本發(fā)明是一種直接釬焊法，且釬焊時(shí)間最快0.1s就可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的接頭強(qiáng)度。

5、本發(fā)明中使用的zn基釬料和sn基釬料中al元素的加入一方面可以提高釬料的抗氧化性，另一方面可以與sic陶瓷的氧化膜進(jìn)行置換反應(yīng)生成al2o3，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

6、本發(fā)明中使用的zn基釬料和sn基釬料中ti元素的加入一方面可以提高釬料的抗腐蝕性能，另一方面可以與sic陶瓷的氧化膜或鋁基體表面的氧化膜進(jìn)行置換反應(yīng)生成tio，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

7、本發(fā)明中zn基釬料中mg元素的加入一方面可以提高釬料的潤(rùn)濕性，另一方面可以參與到界面化學(xué)反應(yīng)生成mgal2o4，改善界面結(jié)合特性，提高界面結(jié)合力。

8、本發(fā)明中sn基釬料中zn元素的加入一方面可以降低sn基釬料的熔點(diǎn)，另一方面可以提高利用zn與al固溶性好的特點(diǎn)，提高釬料中如al元素溶解度。

9、本發(fā)明中sn基釬料中ag元素的加入一方面可以提高釬料的抗氧化性能，另一方面可以提高釬料中ti元素的反應(yīng)活度，進(jìn)而促進(jìn)ti元素與sic陶瓷氧化膜或鋁基體表面氧化膜的快速界面反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)快速釬焊。

10、本發(fā)明中sn基釬料中稀土ce和la元素的加入一方面可改善釬料在sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性，促進(jìn)界面反應(yīng)連接，另一方面稀土的加入會(huì)一定程度細(xì)化釬料組織，提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。

11、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了sic陶瓷和sic陶瓷增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料超聲低溫快速直接釬焊，低溫條件下的連接可有效降低釬焊后接頭殘余熱應(yīng)力，快速釬焊避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱和保溫對(duì)半導(dǎo)體等電子元器件造成的熱損傷，直接釬焊使整個(gè)釬焊工藝變得簡(jiǎn)單，避免了繁瑣的預(yù)金屬處理過(guò)程。該方法具有低成本的特點(diǎn)，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

本方法得到的sic陶瓷/znmgcuti/sic陶瓷釬焊接頭超聲作用時(shí)間0.1s即可實(shí)現(xiàn)sic陶瓷的釬焊，獲得無(wú)缺陷的接頭。用剪切強(qiáng)度結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能，剪切強(qiáng)度為38.6mpa。

本發(fā)明超聲低溫直接釬焊方法用于電子封裝領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1步驟三中組成釬焊件釬焊時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1代表超聲頭，2代表母材，3代表釬料合金，4代表壓頭；

圖2是實(shí)施例1得到的sic陶瓷/znmgcuti/sic陶瓷釬焊接頭掃描電鏡圖；

圖3是實(shí)施例2得到的sic陶瓷/snagalti/sic陶瓷釬焊接頭掃描電鏡圖；

圖4是實(shí)施例2得到的sic陶瓷/snagalti/sic陶瓷釬焊接頭圖3中局部放大圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式之間的任意組合。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法，具體按下述步驟進(jìn)行的：

一、將待焊件用金剛石切割機(jī)切割成型，用金剛石磨盤(pán)進(jìn)行機(jī)械打磨并拋光處理，拋光至表面光潔度小于1μm，然后放入丙酮中超聲清洗5～30min，再采用無(wú)水乙醇超聲清洗5～20min后烘干，放入空氣燒結(jié)爐中隨爐加熱進(jìn)行高溫氧化處理，控制加熱升溫速率為10～25℃/min，升溫至500～1200℃，保溫30min～6h，然后隨爐冷卻至室溫；

其中待焊件為sic陶瓷或sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；

二、采用砂紙將釬焊用釬料合金表面氧化膜打磨去除，然后放入丙酮中超聲清洗5～20min，烘干備；

三、將步驟一處理的待焊件與步驟二處理的釬料合金用夾具組成釬焊件，放入加熱爐中，壓頭置于釬焊件上加壓至0.5～5mpa，控制升溫速率為5～15℃/min，將釬焊件加熱到210～500℃并保溫5～35min，將超聲頭施加到下層母材上，并開(kāi)啟超聲波振動(dòng)，控制振動(dòng)頻率為20-100khz，振幅為1～50μm，超聲作用時(shí)間為0.1～8s，然后隨爐冷卻或空冷至室溫，即完成所述基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟一中待焊件為sic陶瓷，是sic質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為90％～99.8％的多晶陶瓷或sic質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于99.8％的高純單晶陶瓷。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：步驟一中待焊件為sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，是sic顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為20％～70％的鋁基復(fù)合材料。其它與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：步驟一中對(duì)待焊件進(jìn)行拋光處理時(shí)，采用500#，1000#，2000#的金剛石磨盤(pán)逐級(jí)打磨，然后用1μm的拋光機(jī)機(jī)械拋光至鏡面。其它與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：步驟一中丙酮超聲清洗20min，無(wú)水乙醇超聲清洗15min。其它與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：步驟一中高溫氧化處理時(shí)，控制加熱升溫速率為15℃/min，升溫至1100℃，保溫2h。其它與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：步驟二中釬料合金為zn基合金，其成分按質(zhì)量百分比為al：0.1～10.5％、mg：0～3.8％、cu：0～5.5％、ti：0～6.0％和zn：余量，該釬料合金熔點(diǎn)為380～500℃。其它與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：步驟二中釬料合金為sn基合金，其成分按質(zhì)量百分比為zn：1.0～20.0％、al：0.1～12.0％、ag：0～4.7％、ti：0～6.5％、稀土ce：0.01～0.05％、稀土la：0.01～0.05％和sn：余量，該釬料合金熔點(diǎn)為210～350℃。其它與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是：步驟三中將釬焊件加熱到220～300℃并保溫20～30min。其它與具體實(shí)施方式一至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同的是：步驟三中控制超聲作用時(shí)間為0.2～1s。其它與具體實(shí)施方式一至九之一相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

本實(shí)施例基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法，具體按下述步驟進(jìn)行的：

一、將待焊件用金剛石切割機(jī)切割成型，用金剛石磨盤(pán)進(jìn)行機(jī)械打磨并拋光處理，拋光至表面光潔度小于1μm，然后放入丙酮中超聲清洗10min，再采用無(wú)水乙醇超聲清洗15min后烘干，放入空氣燒結(jié)爐中隨爐加熱進(jìn)行高溫氧化處理，控制加熱升溫速率為20℃/min，升溫至800℃，保溫4h，然后隨爐冷卻至室溫；

其中待焊件為sic陶瓷；

二、采用砂紙將釬焊用釬料合金表面氧化膜打磨去除，然后放入丙酮中超聲清洗8min，烘干備；

三、將步驟一處理的待焊件與步驟二處理的釬料合金用夾具組成釬焊件，放入加熱爐中，壓頭置于釬焊件上加壓至0.3mpa，控制升溫速率為10℃/min，將釬焊件加熱到430℃并保溫10min，將超聲頭施加到下層母材上，并開(kāi)啟超聲波振動(dòng)，控制振動(dòng)頻率為20khz，振幅為2μm，超聲作用時(shí)間為0.1s，然后隨爐冷卻至室溫，即完成所述基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法。

本實(shí)施例步驟二中釬料合金為zn基合金，其成分按質(zhì)量百分比如下表：

本實(shí)施例步驟三中組成釬焊件釬焊時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中1代表超聲頭，2代表母材，3代表釬料合金，4代表壓頭。

本實(shí)施例得到的sic陶瓷/znmgcuti/sic陶瓷釬焊接頭掃描電鏡圖如圖2所示，結(jié)果表明，超聲作用時(shí)間0.1s即可實(shí)現(xiàn)sic陶瓷的釬焊，獲得無(wú)缺陷的接頭。用剪切強(qiáng)度結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能，剪切強(qiáng)度為38.6mpa。表明基于這種熱氧化表面改性，可以實(shí)現(xiàn)sic陶瓷的短時(shí)快速釬焊，并獲得結(jié)合性能良好的接頭。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法，具體按下述步驟進(jìn)行的：

一、將待焊件用金剛石切割機(jī)切割成型，用金剛石磨盤(pán)進(jìn)行機(jī)械打磨并拋光處理，拋光至表面光潔度小于1μm，然后放入丙酮中超聲清洗20min，再采用無(wú)水乙醇超聲清洗20min后烘干，放入空氣燒結(jié)爐中隨爐加熱進(jìn)行高溫氧化處理，控制加熱升溫速率為10℃/min，升溫至1100℃，保溫3h，然后隨爐冷卻至室溫；

其中待焊件為sic陶瓷；

二、采用砂紙將釬焊用釬料合金表面氧化膜打磨去除，然后放入丙酮中超聲清洗20min，烘干備；

三、將步驟一處理的待焊件與步驟二處理的釬料合金用夾具組成釬焊件，放入加熱爐中，壓頭置于釬焊件上加壓至2mpa，控制升溫速率為12℃/min，將釬焊件加熱到230℃并保溫5min，將超聲頭施加到下層母材上，并開(kāi)啟超聲波振動(dòng)，控制振動(dòng)頻率為30khz，振幅為5μm，超聲作用時(shí)間為0.1s，然后空冷至室溫，即完成所述基于熱氧化表面改性的sic陶瓷及sic陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超聲低溫直接釬焊方法。

本實(shí)施例步驟二中釬料合金為sn基合金，其成分按質(zhì)量百分比如下表：

本實(shí)施例得到的sic陶瓷/snagalti/sic陶瓷釬焊接頭掃描電鏡圖如圖3和圖4所示，其中圖4為接頭界面局部放大圖，由圖可見(jiàn)界面結(jié)合良好，無(wú)可見(jiàn)缺陷，圖4中在釬料與sic中間可見(jiàn)一層氧化層，這說(shuō)明釬料與sic陶瓷熱氧化后的表面氧化層實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)合。