碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空软钎焊技术

王东斌 徐冬霞 范晓杰

摘  要：SiCp/Al复合材料具有广阔的应用前景，由于连接技术的制约，其实际应用受到限制。软钎焊技术是目前能够实现复合材料低温连接的理想方法之一。文章概括了SiCp/Al复合材料真空软钎焊技术的研究现状，着重介绍了采用锡基钎料进行复合材料真空软钎焊的研究工作，分析了目前SiCp/Al复合材料真空软钎焊技术中存在的一些问题，并提出了相应的改善措施和解决思路，以提高SiCp/Al复合材料真空软钎焊的接头质量。

关键词：碳化硅  颗粒增强铝基复合材料  真空软钎焊  锡基钎料

中图分类号：TB333;TG454                  文献标识码：A                     文章编号：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

碳化硅顆粒增强铝基（简称SiCp/Al）复合材料作为一种性能优异的结构材料，在航空航天、汽车制造、电子封装等领域具有广泛的应用前景。但是，由于SiCp/Al复合材料的基体和增强相之间的物理、化学性能差异很大，导致其连接困难，成为该类材料走向工业化应用的严重障碍。其中钎焊由于具有加热温度低、应力和变形小、可整体加热等优点，在SiCp/Al复合材料的连接上具有极大的潜力。尤其是需要在较低温度下完成元器件封接的电子封装领域，软钎焊技术更是发挥了巨大优势。本文对SiCp/Al复合材料真空软钎焊技术的研究现状和存在的问题进行了概述。

1  SiCp/Al复合材料的真空软钎焊技术

软钎焊是钎焊工艺的一个重要组成部分。它选用比母材熔化温度低的软钎料，采取低于母材固相线而高于钎料液相线的操作温度，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现母材的连接[1]。在电子封装领域，为保护芯片和元器件的性能不受损坏，通常需要采用低温封接技术实现器件的连接，因此，软钎焊技术在电子封装领域具有极大优势。

目前，在铝基复合材料的连接技术中，真空钎焊应用较多，而且发展较快[2-3]。在这些研究工作中，根据使用的钎料成分和熔化温度，可以划分为两大类：一类是使用以Al-Si合金为基体添加其他合金元素（如Cu、Ti、Mg、稀土等）组成的铝基钎料进行真空钎焊，这类钎料的温度通常在450℃以上，属于硬钎焊范畴;另一类是使用以Sn为主要组元添加其它合金元素（如Ag、Cu、Bi、稀土等）的锡基钎料进行真空钎焊，这类钎料的熔化温度较低，通常不超过300℃，属于软钎焊范畴[1]。为方便叙述，对于使用这类低温钎料进行的真空钎焊技术称之为真空软钎焊。

范晓杰[4]采用Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi钎料对化学镀镍的SiCP/6063Al复合材料进行了真空软钎焊研究。结果表明，化学镀镍可以改善钎料对复合材料的润湿性，进而提高接头的致密性和力学性能。钎焊过程中，钎料与镍层原子相互扩散在界面发生化学反应生成连续的金属间化合物，使钎料与母材形成良好的冶金结合，获得优良的钎焊接头。钎料中的Bi元素能够抑制界面金属间化合物的生长，随着钎焊温度的升高和保温时间的延长，界面金属间化合物层逐渐变厚，晶粒尺寸变大。同时，镀镍层的厚度也影响钎焊接头的剪切强度。

张波[5]研究了商用Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料对70vol.%SiCp/Al的润湿性、钎焊及其界面与接头性能的影响。结果发现：Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料在未镀镍的SiCp/Al复合材料上几乎不发生润湿铺展，润湿性很差;而在镀镍后的SiCp/Al复合材料上表现出良好的润湿性，并且钎料与镍层发生了强烈的反应及元素扩散。在300℃时，采用Sn-3.5Ag-0.5Cu钎料与镀镍后SiCp/Al复合材料进行钎焊，能够获得良好的钎焊接头，钎料与母材结合紧密，无气孔等缺陷，接头强度高。因此，镀镍层显著改善了钎料在SiCp/Al复合材料表面的润湿性，提高了钎焊接头质量，但是剪切过程中镀镍层被钎料撕裂，说明镀镍层与复合材料的结合强度还有待进一步提高。

雷玉珍等[6]采用Sn3.0Ag0.7Cu钎料对表面电镀铜后的增强相体积为45%的SiCp/2024Al复合材料和表面化学镀铜后的SiC陶瓷进行钎焊。结果表明，钎料对电镀铜后的SiCp/2024Al复合材料和化学镀铜后SiC陶瓷的润湿性均良好，能够实现对两种母材的软钎焊，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，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，化学镀铜层与基体的结合强度高于电镀铜层。

金家富等[7]利用低温真空钎焊设备，选用Au-Sn焊料对可伐合金和铝碳化硅复合材料进行了低温钎焊，通过对焊接工艺参数（焊接温度、保温时间和焊接压力等）进行优化设计，获得了气密性合格的盒体零件。

近年来，一些新型软钎料合金、新型辅助钎焊方法相继出现和应用，例如在钎料中添加稀土元素，采用超声波、电磁辅助等方式对陶瓷或复合材料进行真空软钎焊，可以有效提高软钎料对复合材料的润湿性，得到质量良好的钎焊接头。

为克服接头热应力大和连接体系低温润湿结合困难的难题， 吴炳智分别采用低熔点的Zn基钎料和Sn基钎料对SiC陶瓷进行软钎焊[8]。结果表明，超声作用影响接头结合层组织的细化，延长超声时间后，采用Zn5Al钎料与Zn5Al3Cu钎料对SiC陶瓷钎焊的接头剪切强度相当。采用Sn9Zn2Al钎料，利用超声辅助活性软钎焊方法实现了SiC陶瓷自身及与Cu的高可靠直接钎焊。另外， 还采用Sn3.5Ag4Ti钎料实现了SiC陶瓷的超快速低温钎焊， 焊接时间短，接头强度高，可满足多数电子器件封装的使用需求。这种活性软钎焊方法对于SiCp/Al复合材料的低温钎焊技术具有重要的借鉴价值。

2  碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊中存在的问题和解决思路

尽管目前对SiCp/Al复合材料的真空软钎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复合材料本身焊接性很差，给研究工作的进展带来了一定的困难，钎焊过程中存在一些问题：

（1）软钎焊接头强度通常较低。由于软钎料和复合材料母材的成分、性能相差较大，软钎焊接头与母材不可能达到等强度，因此，软钎焊接头的承载强度较低，只适用于一些对强度要求不高、需要低温密封的器件制造工艺。

（2）SiCp/Al復合材料表面氧化膜的存在严重影响钎焊质量。氧化膜Al2O3熔点高，具有很高的化学稳定性，一般在软钎焊过程中不发生熔化也不易被钎剂去除，严重影响钎料在母材表面的润湿与铺展，因此，焊前必须对母材及钎料进行严格的去氧化膜处理。

（3）软钎料的成分和性能以及钎焊工艺对复合材料的钎焊接头质量起着至关重要的作用。首先，熔态的钎料与固态母材要有适当的反应性（液态钎料和母材之间的固溶或金属间化合物的生成），才能够发生润湿。同时，要求钎焊过程的温度控制必须准确，温度过低，不利于钎料的流动铺展，难以实现连接;温度过高，则容易引起母材表面金属化层的过烧熔蚀，给钎焊过程带来困难，因此，必须优化钎料合金成分和严格控制钎焊工艺参数。

（4）SiCp/Al复合材料的表面金属化情况显著影响钎料对复合材料的润湿性，复合材料表面的金属化层能与钎料发生反应和元素扩散，形成金属间化合物层，影响钎焊质量和接头强度。如何控制复合材料表面金属化层的质量，进而提高软钎料在SiCp/Al复合材料上的润湿能力也是一项关键工艺。

鉴于以上原因，国内外许多科研工作者尝试通过对铝基复合材料表面金属化，优化钎料成分，设计和制备熔点更低、润湿性更好的软钎料，选择合适的钎焊工艺参数等措施，改善软钎料在铝基复合材料上的润湿铺展，获得质量可靠的钎焊接头，拓宽SiCp/Al复合材料的实际应用领域。

3  结语

本文对SiCp/Al复合材料的真空软钎焊技术研究现状进行了概述，着重介绍了采用锡基钎料进行复合材料真空软钎焊的研究工作，并对真空软钎焊中存在的问题进行了分析，最后提出可以通过对铝基复合材料表面金属化、制备性能优异的低温钎料、选择合适的钎焊工艺参数等措施，改善软钎料在SiCp/Al复合材料上的润湿能力，提高钎焊质量，获得优质的接头和可靠的连接。

参考文献

[1] 庄鸿寿，张启运.钎焊手册[M].3版：北京：机械工业出版社，2018.

[2] 郭磊磊.SiC颗粒增强铝基复合材料连接技术研究现状[J].热加工工艺，2019，48（11）：6-9.

[3] 牛济泰，程东锋，高增，等.SiC颗粒增强铝基复合材料的连接现状[J].焊接学报，2019，40（3）：155-160.

[4] 范晓杰，徐冬霞，牛济泰.Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi钎料对化学镀镍SiCP/6063Al复合材料真空钎焊接头组织和性能的影响[J].材料导报，2016，30（4）：98-101.

[5] 张波.70%SiCp/Al复合材料的润湿及钎焊研究[D].镇江：江苏大学，2016.

[6] 雷玉珍，宋晓国，胡胜鹏.SiCp/2024Al复合材料与SiC陶瓷的软钎焊[J].焊接，2016（3）：14-17.

[7] 金家富，杨程，霍绍新.可伐与铝碳化硅复合材料气密低温钎焊工艺研究[J].电子与封装，2016，16（3）：9-11.

[8] 吴炳智.SiC陶瓷超声辅助活性软钎焊界面结合机理及工艺研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.