一种用于电子封装复合材料的表面金属化及钎焊方法与流程

本发明属于高体积分数sicp/al复合材料的焊接，涉及一种高体积分数sicp/al复合材料的表面金属化及钎焊方法。

背景技术：

高体积分数sicp/al复合材料因具有高热导、高强度、良好的耐磨性及可调膨胀系数(cte)等优点在汽车、航空航天、电子工业有着广泛的应用。尽管性能优异，但由于复合材料中高体积分数sic颗粒和铝基体表面氧化膜的存在，严重阻碍了钎料在母材上的润湿和铺展，进而影响了基体材料的钎焊性能。

针对这一问题，很多研究者选择在sicp/al复合材料表面进行化学镀镍，如中国专利zl201110259096.x“一种铝碳化硅复合材料表面化学镀镍磷合金工艺”；如中国专利201510051866.x“一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊方法”采用al-5si-24cu-1.5zn-1ti钎料在表面镀镍的sicp/al复合材料上做钎焊研究；中国专利zl201010526125.x“一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料及制备和钎焊方法”采用ag-cu-sn-ni钎料薄带钎焊化学镀镍后的sicp/al复合材料和可伐合金进行钎焊；中国专利zl201110415109.8“一种铝碳化硅复合材料可焊性化学镀镍的方法”化学镀镍的sicp/al复合材料表面使用普通铅锡焊料焊接氮化铝电子陶瓷基片。中国专利zl201010520717.0“一种钎焊铝碳化硅复合材料的中温钎料及制备和钎焊方法”采用40al-40.7ag-19.3cu共晶焊料焊接表面皆镀镍的aln陶瓷和sic/al复合材料。

在焊接过程中，发现镀镍后可以改善钎料与基体材料的润湿与焊接性，但同时也出现了一些新的问题，基体与镀层的结合强度不够，特别是随着焊接温度的升高，由于基体与镀层热膨胀系数的差异导致镀镍层容易发生脱落而降低焊接强度。本申请为了解决镀镍sicp/al复合材料焊接出现的这一问题，选择在镀镍层中引入一定量的sic颗粒来制得复合镀层ni-p-sic，即可以有效的减小基体与镀层的热膨胀系数的差异，也可以增强镀层的结合力。

此外在焊接过程中，用于sicp/al复合材料钎焊的钎料主要有al基、sn基、ag基。根据上述中焊接专利，以及以下文献：文献“王鹏,徐冬霞,陈龙,牛济泰.高体积分数sicp/6063al复合材料真空钎焊工艺及润湿机理研究.热加工工艺,2014,03:155-157”采用al-si-cu-mg-ni五元合金钎料对60％sicp/6063al复合材料进行真空钎焊；文献“高增,李清跃,赵祖良,牛济泰.高体积分数sicp/6063al复合材料与可伐合金的真空钎焊工艺研究.热加工工艺,2015,17:189-191”采用采用ag57.6-cu22.4-in10-sn10钎料，研究高体积分数sicp/al复合材料与可伐合金的真空钎焊工艺；文献“范晓杰,徐冬霞,牛济泰,王东斌,陈思杰.sn-ag-cu-bi无铅钎料对不同体积比sicp/6063al复合材料真空软钎焊接头组织和性能的影响.材料导报,2015,16:89-93”研究sn-ag-cu-bi无铅钎料对不同体积比sicp/6063al复合材料真空软钎焊接头组织和性能的影响。上述钎料与本申请相比，al基钎料易氧化，sn基钎料焊接温度过低，ag基钎料成本较高，具有较大的使用局限性。

总之，与本申请相比，上述钎焊工艺或钎料选择均可以实现高体积分数sicp/al复合材料的钎焊，但ni层与基体之间热膨胀系数不匹配，界面结合力不牢等缺陷，焊后容易在界面处诱发裂纹，此外金属钎料的各种限制(焊接温度高、易氧化或成本较高等)都成为了限制此类方法应用的主要因素。因此如何通过研发合适的玻璃钎料以及优化钎焊工艺，成为高体积分数sicp/al复合材料广泛应用的技术瓶颈。

技术实现要素：

本发明在于提供了一种电子封装复合材料的表面金属化及钎焊方法，目的是提高高体积分数sicp/al复合材料钎焊接头性能，特别是接头的强度、耐腐蚀性等特性。

为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的，一种用于电子封装复合材料的表面金属化及钎焊方法，其表面金属化的制备由如下步骤组成：

1、一种用于电子封装复合材料表面金属化方法，包括：

(1)配制复合镀液：将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸以一定浓度配比混合均匀，然后加入一定量的sic颗粒，配置成一定ph值的ni-p-sic镀液。

(2)试样预处理：将高体积分数sicp/al复合材料进行除油、敏化、活化后用去离子水清洗。

(3)施镀：将步骤(2)中处理好的试样放入步骤(1)中配置好的复合镀液中，置于一定温度的磁力搅拌水浴锅中进行复合镀。

上述的配制复合镀液，ni-p-sic镀液中硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸的浓度分别为：25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l，sic浓度为3g/l，ni-p-sic镀液的ph值为4-6。

上述的试样预处理，其中除油：丙酮，超声10min；敏化：50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中，15s，室温；活化：25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中，20s，室温。

上述的施镀，其施镀温度为80-90℃，施镀时间：15-60mim。

为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的，一种用于电子封装复合材料的表面金属化及钎焊工艺，其钎焊工艺由如下步骤组成：

(1)将经表面金属化的待焊接件置于无水乙醇中超声清洗15分钟。

(2)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的有机粘结剂，充分搅拌后得到均匀膏剂。

(3)采用手工涂覆或丝网印刷的方法将膏状钎料均匀涂覆在清洗好的待焊接件上。

(4)将两个涂覆好的待焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在两个涂覆好的待焊件上放置可施加一定压力的钢件。

(5)将装配好的石墨模具置于真空炉中真空(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以一定加热速度加热至一定温度，待保温一定时间后，以一定冷却速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

上述的适量的粘结剂为松油醇和乙基纤维素的复合溶液，其中松油醇为溶剂，且松油醇：乙基纤维素：低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料的质量比为9:1:10。

上述的一定压力为3-10kpa。

上述的升温速度为5-10℃/min，钎焊温度为500-600℃，保温时间为10-30min，冷却速度为3-5℃/min。

本申请主要通过高体积分数sicp/al复合材料表面金属化及采用中温玻璃钎料利用真空保护钎焊复合材料。通过对高体积分数sicp/al复合材料表面金属化，提高玻璃钎料对复合材料的润湿性能，通过向金属化镀层中加入适量sic颗粒，可以有效的减小基体与镀层的热膨胀系数差，适当的提升镀层的结合力。为保证获得良好的钎焊接头，在钎焊过程，待焊接件需要施加一定的压力，同时焊接气氛需要为真空或氩气保护。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)通过合理的工艺制得复合镀层ni-p-sic，通过向镀层中添加sic颗粒，即可以有效减小基体与镀层之间的热膨胀系数差异，还可以适当的提升镀层的结合力，此外，相对仅在sicp/al复合材料上表面镀镍进行焊接，镀层中添加sic颗粒可以一定程度上提高钎焊强度。(2)相对几种传统金属基钎料而言，低熔玻璃钎料(sno-zno-p2o5玻璃钎料)与sic陶瓷有较好的润湿性，玻璃用作钎料对焊接条件中氧分压的要求较低，可有效的提高钎焊效率，降低成本，因此将表面金属化和此钎焊工艺相结合，可取得良好的钎焊接头，满足电子封装领域的应用。

附图说明

图1为高体积分数sicp/al复合材料表面ni-p-sic镀层sem图。

图2为高体积分数sicp/al复合材料表面ni-p-sic镀层横截面sem图，说明sic陶瓷均匀分布于镀层之中。

图3为sic浓度3g/l时复合镀层的刮擦形貌及对应声信号图，复合镀层刮擦试验后的形貌及对应声信号强度，说明复合镀层与sicp/al复合材料具有良好的结合性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。本发明所述的一种用于电子封装复合材料的表面金属化步骤包括：

(1)配制复合镀液：将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸以一定浓度配比混合均匀，然后加入sic颗粒，配置成一定ph值的ni-p-sic镀液。

(2)试样预处理：将高体积分数sicp/al复合材料进行除油、敏化、活化后用去离子水清洗。

(3)施镀：将(2)中处理好的试样放入(1)中配置好的复合镀液中，置于一定温度的磁力搅拌水浴锅中进行复合镀。

本发明所述的配制复合镀液，ni-p-sic镀液中硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸的浓度分别为：25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l，sic浓度3g/l，复合镀液ph为4-6。

本发明所述的试样预处理，其中除油：丙酮，超声10min；敏化：50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中，15s，室温；活化：25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中，20s，室温。

本发明所述的施镀，其施镀温度为80-90℃，施镀时间：15-60mim。

本发明所述的一种用于电子封装复合材料的钎焊工艺包括：

(1)将经表面金属化的待焊接件置于无水乙醇中超声清洗15分钟。

(2)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的有机粘结剂，充分搅拌后得到均匀膏剂。

(3)采用手工涂覆或丝网印刷的方法将膏状钎料均匀涂覆在清洗好的待焊接件上。

(4)将两个涂覆好的待焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在两个涂覆好的待焊件上放置可施加一定压力的钢件。

(5)将装配好的石墨模具置于真空炉中真空(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以一定加热速度加热至一定温度，待保温一定时间后，以一定冷却速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

本发明所述的适量的粘结剂为松油醇+乙基纤维素溶液，其中松油醇为溶剂，且松油醇：乙基纤维素：低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g，施加一定压力为3-10kpa，升温速度为5-10℃/min，钎焊温度为500-600℃，保温时间为10-30min，冷却速度为3-5℃/min。

实施案例1

(1)将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸分别以25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l浓度混合均匀，然后加入3g/l的sic颗粒，配置成ph为4的ni-p-sic镀液。

(2)将高体积分数sicp/al复合材料先经丙酮超生除油后，置于50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中敏化，然后在放与25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中活化，用去离子水冲洗干净置于(1)中配置好的复合镀液中。最后置于磁力搅拌水浴锅中进行复合镀，调节温度为80℃，施镀时间为60min。

(3)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的松油醇+乙基纤维素溶液(松油醇：乙基纤维素:低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g)，充分搅拌后得到均匀膏剂。用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在金属化处理的高体积分数sicp/al复合材料表面上。

(4)将涂覆完成的带焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在待连接试样上放置施加10kpa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热400℃，再以5℃/min加热至530℃，保温30min后，以5℃/min的冷却速度至400℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施案例2

(1)将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸分别以25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l浓度混合均匀，然后加入3g/l的sic颗粒，配置成ph为4的ni-p-sic镀液。

(2)将高体积分数sicp/al复合材料先经丙酮超生除油后，置于50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中敏化，然后在放与25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中活化，用去离子水冲洗干净置于(1)中配置好的复合镀液中。最后置于磁力搅拌水浴锅中进行复合镀，调节温度为90℃，施镀时间为30min。

(3)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的松油醇+乙基纤维素溶液(松油醇：乙基纤维素:低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g)，充分搅拌后得到均匀膏剂。用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在金属化处理的高体积分数sicp/al复合材料表面上。

(4)将涂覆完成的带焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在待连接试样上放置施加5kpa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热400℃，再以5℃/min加热至500℃，保温15min后，以5℃/min的冷却速度至400℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施案例3

(1)将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸分别以25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l浓度混合均匀，然后加入3g/l的sic颗粒，配置成ph为6的ni-p-sic镀液。

(2)将高体积分数sicp/al复合材料先经丙酮超生除油后，置于50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中敏化，然后在放与25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中活化，用去离子水冲洗干净置于(1)中配置好的复合镀液中。最后置于磁力搅拌水浴锅中进行复合镀，调节温度为90℃，施镀时间为15min。

(3)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的松油醇+乙基纤维素溶液(松油醇：乙基纤维素:低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g)，充分搅拌后得到均匀膏剂。用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在金属化处理的高体积分数sicp/al复合材料表面上。

(4)将涂覆完成的带焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在待连接试样上放置施加3kpa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热400℃，再以5℃/min加热至580℃，保温30min后，以5℃/min的冷却速度至400℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施案例4

(1)将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸分别以25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l浓度混合均匀，然后加入3g/l的sic颗粒，配置成ph为6的ni-p-sic镀液。

(2)将高体积分数sicp/al复合材料先经丙酮超生除油后，置于50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中敏化，然后在放与25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中活化，用去离子水冲洗干净置于(1)中配置好的复合镀液中。最后置于磁力搅拌水浴锅中进行复合镀，调节温度为85℃，施镀时间为40min。

(3)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的松油醇+乙基纤维素溶液(松油醇：乙基纤维素:低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g)，充分搅拌后得到均匀膏剂。用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在金属化处理的高体积分数sicp/al复合材料表面上。

(4)将涂覆完成的带焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在待连接试样上放置施加10kpa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热400℃，再以5℃/min加热至600℃，保温10min后，以5℃/min的冷却速度至400℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施案例5

(1)将市售的硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸分别以25g/l、30g/l、20g/l、15g/l和30g/l浓度混合均匀，然后加入3g/l的sic颗粒，配置成ph为5的ni-p-sic镀液。

(2)将高体积分数sicp/al复合材料先经丙酮超生除油后，置于50ml/lhcl+25g/lsncl2溶液中敏化，然后在放与25ml/lhcl+0.25g/lpdcl2溶液中活化，用去离子水冲洗干净置于(1)中配置好的复合镀液中。最后置于磁力搅拌水浴锅中进行复合镀，调节温度为80℃，施镀时间为15min。

(3)取市售的低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料，加上适量的松油醇+乙基纤维素溶液(松油醇：乙基纤维素:低熔sno-zno-p2o5玻璃钎料＝9g:1g:10g)，充分搅拌后得到均匀膏剂。用手工涂覆或丝网印刷方法将膏剂覆盖在金属化处理的高体积分数sicp/al复合材料表面上。

(4)将涂覆完成的带焊接件表面相接触并对齐放入石墨模具中，并在待连接试样上放置施加10kpa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2pa)或氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热400℃，再以5℃/min加热至590℃，保温30min后，以5℃/min的冷却速度至400℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。