一种采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法

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一种采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种陶瓷材料的钎焊方法,特别是一种采用铝或铝合金作为钎料对A1N陶瓷进行直接钎焊的方法,用于陶瓷加工领域。
【背景技术】
[0002]A1N和最常用的A1203—样,都是性能优异的工程陶瓷,它们不但有高的强度和高温稳定性,而且还具有高的绝缘性、介电性、耐腐蚀性等许多优异的性能,在现代工业和高科技领域得到更多应用的广阔前景。例如,在电子工业中,由于A1N具有高于A1203近10倍而接近金属A1的热导率以及与S1、SiC、GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数,成为取代A1203的大功率集成电子电路的重要基板材料。在许多工程应用中,需要将A1N相互或与金属进行连接,而钎焊是实现这些连接的最主要方法。但是,由于在通常的钎焊温度下作为钎料的液态金属不能润湿A1N,它们的润湿角大于90°,使得难以采用金属对A1N进行直接钎焊。早期的方法是对A1N进行金属化,通过在其钎焊面上烧结或镀覆能与A1N反应的活性金属层(如Mo、W等),进而采用Ag基、Cu基或Au基等钎料实现钎焊连接。近年来发展的活性钎料钎焊法则采用了在钎料中加入活性金属组分的方法,通过如Ti,V,Cr等活性金属组分与A1N陶瓷的反应在其表面形成反应过渡层,进而实现金属对A1N陶瓷的润湿而将其连接。然而,由这些方法获得的钎焊接头都在钎缝金属与A1N界面存在反应过渡层,而反应过渡层的存在常会对接头产生不利的影响。例如,Cu和A1N钎焊接头的热疲劳性能就因超过1000°C的钎焊温度时界面产生的CuA102而明显降低。现代工业中急需一种能够通过金属直接钎焊A1N陶瓷而不在接头中产生反应过渡层的技术。
[0003]A1与A1N不发生反应,采用A1及其合金作为钎料直接钎焊A1N可获得无反应过渡层的钎焊接头,这样的接头可因A1及其合金的易变形能力缓解热应力,获得高的热疲劳性能,而铝钎缝表面形成的氧化膜,则可显著提高接头的抗腐蚀性。Sobczak等在“A1-A1N的润湿性与连接强度关系”的研究论文[Sobczak N,Ksiazek M,Radziwill ff ,Stobierski L,Mikulowski B.Wetting-bonding relat1nship in A1-A1N system,TRANSACT 10NS-胃尺1,2001,30:125-130]报道:在41/^1_且成的体系中,当41熔液的润湿角由900°(3的108°不润湿状态到950°C的58°润湿态后,界面的剪切强度可由44MPa和显著提高到57MPa。由此可见,采用A1或A1合金对A1N陶瓷进行钎焊,可以得到高的接头强度。但是,由于铝熔液只有在850°C以上对A1N的润湿角才能小于90°,而850°C以上的钎焊温度将因A1熔液严重过烧降低接头的质量和性能。
[0004]对现有技术进行的检索发现:中国专利[陶瓷与金属的连接方法,CN200910092748.8]公开了一种通过热浸镀在陶瓷表面镀覆一层微米级厚的A1或A1合金薄膜进而实现陶瓷之间或陶瓷与金属钎焊连接的方法,该专利发明人在论文“铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究”[王波,宁晓山,李莎.铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究,无机材料学报,2011,26(3): 249-253]中,报道采用该方法对A1N和A1在670-820°C的钎焊结果,但是,该方法因热浸镀涂覆A1和A1合金与A1N陶瓷的结合强度不高,所获得的钎焊接头的强度仍不够理想。
[0005]目前仍没有采用A1和A1合金对A1N陶瓷进行直接钎焊并获得高强度接头技术的报道。

【发明内容】

[0006]本发明的目的是提供一种采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法,以克服现有技术存在的上述缺陷。
[0007]本发明采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法,包括如下步骤:
[0008]通过物理气相沉积镀膜的方法在氮化铝(A1N)陶瓷的待钎焊表面镀覆作为钎料的纯铝(A1)或铝(A1)合金涂层,将两陶瓷以涂层面相对紧贴放置并施加压紧力后进行真空加热钎焊,得到由A1或A1合金直接钎焊A1N陶瓷的钎焊接头。在这种接头中,A1或A1合金的钎缝与A1N陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过渡层。
[0009]其中,物理气相沉积镀膜包括真空蒸发镀膜,溅射镀膜,以及离子镀膜等采用物理方法使金属气化后沉积于固体材料表面形成涂层的方法;
[0010]作为一种优选技术方案,在镀覆铝或铝合金涂层前,先将A1N陶瓷的待钎焊面进行抛光处理以降低其表面粗糙度。
[0011 ] 纯A1或A1合金涂层的厚度范围优选为300nm?40μπι。
[0012]作为另一种优选技术方案,在涂层镀覆时,首先在经抛光的Α1Ν陶瓷表面镀覆厚度不小于lOOnm的纯Α1底层,然后继续镀覆纯Α1或Α1合金涂层。
[0013]A1合金涂层可采用A1合金单层涂层,也可采用由合金元素层和A1层组成的多层涂层。
[0014]在采用多层涂层时,合金元素层可以镀覆在A1层的表面,也可以一层或多层合金元素层的形式将它们插入到A1层之中形成多层结构的涂层。在这样的多层结构涂层中,合金元素层的总厚度与A1层的总厚度按合金元素在A1合金中的含量确定;
[0015]所述A1合金涂层,可以是A1分别与Cu,Ni,Si,Ge组成的二元合金,以及由A1和上述合金元素或再加入其他元素组成的三元或多元合金。
[0016]所述A1合金涂层中除A1以外,Cu的含量< 15at.%,Ni的含量< 10at.%,Si的含量< 12at.%,Ge的含量<20at.%,其他元素的含量< lat.%。
[0017]所述其他元素可选自T1、Zr、Cr、Sr、V。
[0018]作为另一个更优选的技术方案,在涂层镀覆时,首先在经抛光的A1N陶瓷表面镀覆厚度不小于lOOnm的纯A1底层,然后再镀覆A1合金涂层,所述A1合金涂层的厚度为300nm?40μπιο
[0019]优选的,所述真空加热钎焊时的气压为低于10—^a,加热温度为纯Α1或所采用的Α1
合金钎料的熔化温度至高于这一温度80°C的范围。
[0020]本发明采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法,具有如下有益效果:
[0021]1.本发明采用气相沉积技术在A1N陶瓷的待钎焊面镀覆钎料的方法,克服了 A1或A1合金在850°C以下的钎焊温度不能润湿A1N陶瓷的困难,实现对A1N陶瓷的无反应过渡层直接钎焊;
[0022]2.本发明可用于多种不同合金含量的A1基钎料,包括纯A1和Al-Cu,Al-Ni,Al-Si,Al-Ge等二元合金,以及由这些合金元素或加入少量的其他元素组成的三元甚至多元合金;
[0023]3.在本发明的真空加热钎焊中,所需的真空度较低;
[0024]4.本发明可对大面积的A1N陶瓷进行平面钎焊,并获得很高的钎透率;
[0025]5.由本发明获得的钎焊接头,在A1或A1合金钎缝与A1N陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过
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