高硅铝基复合材料钎料及其制备方法及钎焊方法与流程

本发明属于材料焊接与连接技术领域，具体涉及一种高硅铝基复合材料钎料及其制备方法及使用该钎料的钎焊方法。

背景技术：

高硅铝基复合材料（vol.%,si=30～60%）集高导热、低密度、低膨胀系数和高耐磨性等优良综合性能于一身，在航空、航天、汽车、空间技术以及相机制造等领域具有广阔的应用前景，相控阵雷达t/r模块电子封装就是其重要应用方向之一，可替代传统的kovar合金、w/cu、mo/cu等传统电子封装材料而成为新一代电子封装材料。焊接作为高硅铝基复合材料推广应用的重要二次加工技术，其连接界面包括硅铝基复合材料/金属钎料界面（强连接界面）以及硅相/金属钎料界面（弱连接界面），具体来说，金属钎料在硅颗粒表面的润湿性差，在焊接过程中易造成焊缝局部位置形成气孔、夹杂、微裂纹等缺陷，从而限制了高硅铝基复合材料在电子封装领域的推广使用。大量研究表明，通过采用活性中间层结合真空硬钎焊的方法可实现该高硅铝基复合材料的有效连接。

al-si-cu系钎料具有熔点低、流动性好等优点而广泛作为中间层（钎料）用于钎焊硅铝基复合材料。钎料合金中若存在mg元素，在真空环境下，mg蒸气可破裂钎料和高硅铝基复合材料表面氧化膜外壳，促进液态钎料与母材间形成传质通道；mg作为活性元素与si颗粒表面的sio2薄层发生化学反应，可提高钎料的润湿性。另有研究表明，稀土ce添加在al-si-cu系钎料合金中可变质粗大的初晶si相及al2cu脆性相，从而细化钎料合金组织；在钎料合金熔化后，ce富集于液态钎料表面，能够显著降低液态钎料表面张力。此外，采用快速凝固、单辊甩带技术制备的急冷箔状钎料，具有成分均匀、组织细小，元素固溶度高等特性，与同组分、低过冷度条件下制备的钎料相比，箔状钎料可促进接头的有效连接。所以本发明旨在研发一种高硅铝基复合材料钎料及其制备方法及使用该钎料的钎焊方法，从而解决高硅铝基复合材料润湿性差、连接难的问题，以期望焊接构件的接头综合性能达到电子封装产品的使用要求。

技术实现要素：

综上所述，本发明的目的是针对高硅铝基复合材料润湿性差，难以满足焊接接头高强、高气密性等电子封装产品使用要求的问题，而提供了一种高硅铝基复合材料钎料及其制备方法及使用该钎料的钎焊方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高硅铝基复合材料钎料，所述钎料为箔状，其成分包括5.0wt%～8.0wt%的si、19.6wt%～28.6wt%的cu、1.2wt%～2.5wt%的mg、0.5wt%～3.5wt%的ce、余量为al。

一种高硅铝基复合材料钎料的制备方法，其特征在于通过以下步骤实现：

s1、混料：将配比好的纯度高于99.99%的al、cu单质以及al-20si中间合金置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，把al-10ce中间合金置于坩埚上方特有的二次加料装置中，把al-50mg中间合金置于不锈钢模具中，然后将熔炼炉腔体抽真空至1×10^-3pa～3×10^-3pa，随后充入高纯氩气至熔炼炉腔体内气压为0mpa；

s2、电磁感应熔炼制备钎料毛坯：打开感应加热电源，预热石墨坩埚至300℃～400℃，然后在6min～10min时间内将石墨坩埚加热至1500℃～1600℃，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温10min～15min，然后降温至1000℃～1100℃并控制二次加料装置，使al-10ce中间合金自然落入金属液中，并保温10min～15min。然后把合金液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔al-50mg中间合金，使得合金液与al-50mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

s3、熔盐保护精练钎料：将第二步中制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩埚中，并加入kcl和licl的混合熔盐覆盖，然后放入坩埚电阻炉内；打开坩埚电阻炉加热电源，待炉温升至700℃～750℃使钎料熔化并保温1h，然后借助玻璃棒搅拌合金液10s～15s，继续保温3h～4h；关闭加热电源等待炉温降至650℃～660℃，取出坩埚把合金液倒入柱形不锈钢模具中，钎料自然冷却得到精练钎料的合金柱体；

s4、制备急冷箔状钎料：将第三步制备得到的钎料合金柱体清洗干净后置于石英管中，并将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.5mm～1.7mm；然后对甩带机腔体抽真空至1×10^-3pa～2×10^-3pa后通入氩气；然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1200r/min～1300r/min，打开感应加热电源，调节电流至10a～12a，加热2min～4min，石英管内的钎料合金完全熔化后对石英管内通入1×10^-2pa～5×10^-2pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，最终获得al-si-cu-mg-ce箔状钎料，钎料厚度为80μm～100μm。

作为优选，所述步骤s3中，混合熔盐kcl与licl的质量比为1:1。

一种高硅铝基复合材料的钎焊方法，其特征在于通过以下步骤进行：

h1、待焊面预处理：将高硅铝基复合材料的待焊面在200#砂纸上打磨平整，然后在浓度为7%～8%的hcl水溶液中侵蚀60s～90s，然后超声水洗10min～15min，再在酒精-丙酮混合液中超声清理10min～15min，取出冷风吹干；箔状钎料在酒精-丙酮混合液中超声清理10min～15min，然后放入干净酒精中待用；

h2、焊件与钎料装夹：从酒精中取出箔状钎料，并迅速置其于高硅铝基复合材料待焊部位，调整钎料与高硅铝基复合材料的相对位置，施加4mpa～6mpa的压力，完成高硅铝基复合材料与钎料的装夹；

h3、真空钎焊：将第三步装配好的待焊件置于真空钎焊炉中，真空度为6×10^-4pa～1×10^-3pa，然后以15℃/min～20℃/min的速度升温至500℃，保温5min～8min，再以10℃/min～15℃/min的速度升温至565℃～590℃，保温20min～40min，然后随炉冷却至室温，即完成高硅铝基复合材料的真空钎焊。

进一步的，所述步骤h1中超声水洗过程所用水为去离子水。

作为优选，所述步骤h1中的高硅铝基复合材料为si相体积含量在30%～60%之间的高硅铝基复合材料。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明采用al-cu-si-mg-ce制备箔状钎料，使用该钎料对高硅铝基复合材料进行真空钎焊，液态钎料的扩散能力强，可与高硅铝基复合材料形成冶金连接，其中si颗粒与钎料界面结合良好，所得钎焊接头连接强度高、气密性高；本发明获得的高硅铝基复合材料真空钎焊接头可实现抗剪强度达到65mpa，气密性达到10^-8pa∙m³/s的性能指标。

附图说明

图1为高硅铝基复合材料al-50si（wt%）的微观组织光镜图。

图2为实施例1中al-20cu-5si-1mg-3ce钎料的微观组织光镜图。

图3为实施例1中al-50si（wt%）复合材料的真空钎焊接头扫描电镜图。

具体实施方式

下面以高硅铝基复合材料al-50si（wt%）作为钎焊对象，结合实施例和附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，高硅铝基复合材料为si相的体积含量50%的硅铝基复合材料即al-50si（wt%）硅铝基复合材料。

实施例1

一种高硅铝基复合材料钎料的制备方法，按照如下步骤进行：

s1、混料：将配比好的纯度高于99.99%的al、cu单质以及al-20si中间合金置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，把al-10ce中间合金置于坩埚上方特有的二次加料装置中，把al-50mg中间合金置于不锈钢模具中，然后将熔炼炉腔体抽真空至1×10^-3pa～3×10^-3pa，随后充入高纯氩气至熔炼炉腔体内气压为0mpa；

s2、电磁感应熔炼制备钎料毛坯：打开感应加热电源，预热石墨坩埚至300℃～400℃，然后在10min时间内将石墨坩埚加热至1500℃～1600℃，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温15min，然后降温至1100℃并控制二次加料装置，使al-10ce中间合金自然落入金属液中，并保温15min。然后把合金液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔al-50mg中间合金，使得合金液与al-50mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

s3、熔盐保护精练钎料：将第二步中制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩埚中，并加入kcl和licl的混合熔盐（质量比1:1）覆盖，然后放入坩埚电阻炉内；打开坩埚电阻炉加热电源，待炉温升至750℃使钎料熔化并保温1h，然后借助玻璃棒搅拌合金液15s，继续保温4h；关闭加热电源等待炉温降至660℃，取出坩埚把合金液倒入柱形不锈钢模具中，钎料自然冷却得到精练钎料的合金柱体，其微观组织如图2所示，si相细小；

s4、制备急冷箔状钎料：将第三步制备得到的钎料合金柱体清洗干净后置于石英管中，并将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.7mm；然后对甩带机腔体抽真空至1×10^-3pa～2×10^-3pa后通入氩气；然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1300r/min，打开感应加热电源，调节电流至12a，加热3min，石英管内的钎料合金完全熔化后对石英管内通入1×10^-2pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，获得80μm厚的钎料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料的成分为20wt%cu、5wt%si、1wt%mg、3wt%ce、71wt%al，其微观组织如图2所示。

一种高硅铝基复合材料的钎焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料对如图1所示高硅铝基复合材料al-50si（wt%）进行钎焊，按照如下步骤：

h1、待焊面预处理：将高硅铝基复合材料的待焊面在200#砂纸上打磨平整，然后在浓度为8%的hcl水溶液中侵蚀90s，然后超声水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，取出冷风吹干；箔状钎料在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，然后放入干净酒精中待用；

h2、焊件与钎料装夹：从酒精中取出箔状钎料，并迅速置其于高硅铝基复合材料待焊部位，调整钎料与高硅铝基复合材料的相对位置，施加5mpa的压力，完成高硅铝基复合材料与钎料的装夹；

h3、真空钎焊：将第三步装配好的待焊件置于真空钎焊炉中，以20℃/min的速度升温至500℃，保温8min，再以15℃/min的速度升温至580℃，保温30min，然后随炉冷却至室温，即完成高硅铝基复合材料的真空钎焊。

本实施例获得钎焊接头的抗剪强度达到65mpa，气密性达到1×10^-8pa∙m³/s。本实施例钎焊接头扫描电镜照片如图3所示，接头界面结合良好，钎料与母材连接紧密，无裂纹、孔洞等焊接缺欠。

实施例2：

一种高硅铝基复合材料钎料的制备方法，按照如下步骤进行：

s1、混料：将配比好的纯度高于99.99%的al、cu单质以及al-20si中间合金置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，把al-10ce中间合金置于坩埚上方特有的二次加料装置中，把al-50mg中间合金置于不锈钢模具中，然后将熔炼炉腔体抽真空至1×10^-3pa，随后充入高纯氩气至熔炼炉腔体内气压为0mpa；

s2、电磁感应熔炼制备钎料毛坯：打开感应加热电源，预热石墨坩埚至400℃，然后在8min时间内将石墨坩埚加热至1500℃，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温12min，然后降温至1100℃并控制二次加料装置，使al-10ce中间合金自然落入金属液中，并保温12min。然后把合金液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔al-50mg中间合金，使得合金液与al-50mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

s3、熔盐保护精练钎料：将h2中制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩埚中，并加入kcl和licl的混合熔盐（质量比1:1）覆盖，然后放入坩埚电阻炉内；打开坩埚电阻炉加热电源，待炉温升至750℃使钎料熔化并保温1h，然后借助玻璃棒搅拌合金液10s，继续保温3h；关闭加热电源等待炉温降至660℃，取出坩埚把合金液倒入柱形不锈钢模具中，钎料自然冷却得到精练钎料的合金柱体；

s4、制备急冷箔状钎料：将h3制备得到的钎料合金柱体清洗干净后置于石英管中，并将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.5mm；然后对甩带机腔体抽真空至1×10^-3pa后通入氩气；然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1250r/min，打开感应加热电源，调节电流至12a，加热3min，石英管内的钎料合金完全熔化后对石英管内通入1×10^-2pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，获得90μm厚的钎料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料的成分为20%cu、5.0%si、1.5%mg、2.0%ce和71.5%al。

一种高硅铝基复合材料的钎焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料对如图1所示高硅铝基复合材料al-50si（wt%）进行钎焊，按照如下步骤：

h1、待焊面预处理：将高硅铝基复合材料的待焊面在200#砂纸上打磨平整，然后在浓度为7%的hcl水溶液中侵蚀90s，然后超声水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，取出冷风吹干；箔状钎料在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，然后放入干净酒精中待用；

h2、焊件与钎料装夹：从酒精中取出箔状钎料，并迅速置其于高硅铝基复合材料待焊部位，调整钎料与高硅铝基复合材料的相对位置，施加5mpa的压力，完成高硅铝基复合材料与钎料的装夹；

h3、真空钎焊：将h3装配好的待焊件置于真空钎焊炉中，以20℃/min的速度升温至500℃，保温8min，再以10℃/min的速度升温至570℃，保温30min，然后随炉冷却至室温，即完成高硅铝基复合材料的真空钎焊。

本实施例获得钎焊接头的抗剪强度达到68mpa，气密性达到6×10^-9pa∙m³/s。本实施例钎焊接头界面结合良好，钎料与母材连接紧密，无裂纹、孔洞等焊接缺欠。

实施例3：

一种高硅铝基复合材料钎料的制备方法，如下步骤进行：

s1、混料：将配比好的纯度高于99.99%的al、cu单质以及al-20si中间合金置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，把al-10ce中间合金置于坩埚上方特有的二次加料装置中，把al-50mg中间合金置于不锈钢模具中，然后将熔炼炉腔体抽真空至1×10^-3pa，随后充入高纯氩气至熔炼炉腔体内气压为0mpa；

s2、电磁感应熔炼制备钎料毛坯：打开感应加热电源，预热石墨坩埚至400℃，然后在10min时间内将石墨坩埚加热至1600℃，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温12min，然后降温至1100℃并控制二次加料装置，使al-10ce中间合金自然落入金属液中，并保温12min。然后把合金液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔al-50mg中间合金，使得合金液与al-50mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

s3、熔盐保护精练钎料：将h2中制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩埚中，并加入kcl和licl的混合熔盐（质量比1:1）覆盖，然后放入坩埚电阻炉内；打开坩埚电阻炉加热电源，待炉温升至750℃使钎料熔化并保温1h，然后借助玻璃棒搅拌合金液10s，继续保温3h；关闭加热电源等待炉温降至660℃，取出坩埚把合金液倒入柱形不锈钢模具中，钎料自然冷却得到精练钎料的合金柱体；

s4、制备急冷箔状钎料：将h3制备得到的钎料合金柱体清洗干净后置于石英管中，并将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.6mm；然后对甩带机腔体抽真空至1×10^-3pa后通入氩气；然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1200r/min，打开感应加热电源，调节电流至12a，加热3min，石英管内的钎料合金完全熔化后对石英管内通入1×10^-2pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，获得95.6μm厚的钎料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料的成分为22%cu、7.0%si、2.0%mg、3.0%ce和66.0%al。

一种高硅铝基复合材料的钎焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔状钎料对如图1所示高硅铝基复合材料al-50si（wt%）进行钎焊，按照如下步骤：

h1、待焊面预处理：将高硅铝基复合材料的待焊面在200#砂纸上打磨平整，然后在浓度为7%的hcl水溶液中侵蚀90s，然后超声水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，取出冷风吹干；箔状钎料在酒精-丙酮混合液中超声清理15min，然后放入干净酒精中待用；

h2、焊件与钎料装夹：从酒精中取出箔状钎料，并迅速置其于高硅铝基复合材料待焊部位，调整钎料与高硅铝基复合材料的相对位置，施加5mpa的压力，完成高硅铝基复合材料与钎料的装夹；

h3、真空钎焊：将h3装配好的待焊件置于真空钎焊炉中，以20℃/min的速度升温至500℃，保温8min，再以10℃/min的速度升温至575℃，保温40min，然后随炉冷却至室温，即完成高硅铝基复合材料的真空钎焊。

本实施例获得钎焊接头的抗剪强度达到66.8mpa，气密性达到8×10^-9pa∙m³/s。本实施例钎焊接头界面结合良好，钎料与母材连接紧密，无裂纹、孔洞等焊接缺欠。

综上所述，通过本实施例的描述，可以使本技术领域人员更好的实施本方案。