[0001]
本发明涉及焊接技术领域，具体是一种用于钎焊氮化铝陶瓷与金属的复合钎料及其制备方法。
背景技术：
[0002]
钎料是指为实现两种材料的结合，在其间隙内或间隙旁所加的填充物。钎料在焊接时通过润湿母材并和母材形成类似固溶体的结构以实现焊接材料的紧密结合。出于钎焊质量的考虑，选择钎料时必须考虑熔点、润湿性、接头强度等诸多因素。
[0003]
以氮化铝陶瓷基板与无氧铜板的钎焊形成覆铜陶瓷基板为例，氮化铝基板具有高热导率（170 w/m · k）以及与硅材料相匹配的热膨胀系数，是理想的陶瓷基板材料；无氧铜有高导电性和优异的焊接性能，并能像pcb线路板一样刻蚀出各种形状的电路图形。故而，氮化铝陶瓷覆无氧铜基板构成了电力电子领域功率模块（igbt）封装连接芯片与散热底座的关键器件。
[0004]
但是现有的钎料用于钎焊氮化铝陶瓷基板与铜板时接头多存在较大的残余应力，导致焊接形成的接头强度一般较低；加上氮化铝本身的抗弯强度（350mpa）和断裂韧性(2.7 mpa · m-1/2
)相比于其他陶瓷材料低，由于残余应力的存在，焊接无氧铜后在使用过程氮化铝陶瓷基板易于开裂，影响整个功率模块的可靠性。故而，如何缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力是制造高品质覆铜陶瓷基板的关键。
[0005]
另外，随着高集成化的发展，钎料在接合处的溢出问题也逐渐尖锐。避免结合处的钎料溢出并接触以避免短路问题，是实现电路良好稳定可靠热循环的基础之一。
[0006]
因此，开发一种能减少氮化铝陶瓷基板与铜板接头残余应力、且能抑制结合部钎料溢出的复合钎料显得非常必要。
技术实现要素：
[0007]
本发明的目的之一在于提供一种能缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力、且能抑制结合部钎料溢出的用于钎焊氮化铝陶瓷与金属的复合钎料。
[0008]
本发明的另一目的在于提供一种能抑制结合部钎料溢出、缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力的用于钎焊陶瓷与金属的复合钎料的制备方法。
[0009]
为实现上述第一目的，本发明提供如下技术方案：一种用于钎焊氮化铝陶瓷与金属的复合钎料，所述复合钎料的组成及其重量份数为：金粉85-90份、锗粉8-15份、硫化镍nis粉末0.1-2份、片状氮化铝粉末0-1份、粘结剂2-3份、溶剂7-8份。
[0010]
通过金粉和锗粉组合形成钎料的主体，两者在356℃形成金基共晶，对氮化铝陶瓷基板润湿良好；在此基础上进行钎焊上，钎焊温度高于共晶温度30-50℃，添加的硫化镍nis在钎焊过程发生相变，转变为α-nis，钎焊后逐渐降温的过程中，α-nis又转变为β-nis发生体积膨胀，部分抵销了金锗降温时产生的体积收缩，从而使得钎料的热膨胀系数适应氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数，从而缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力、同时
也抑制了结合部钎料的溢出。
[0011]
优选地，所述片状氮化铝粉末的重量份数为0.01-1份。选择的片状氮化铝粉末不仅可以增强钎料对陶瓷基板的润湿性，其硬质的二维结构可以配合、放大一维结构的硫化镍nis的体积变化，更有效地抵销了金锗降温时产生的体积收缩，从而更好地缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力、抑制结合部钎料的溢出。为提高对陶瓷基板的润湿性，进一步优选地，所述复合钎料的组成及其重量份数为：金粉88份、锗粉12份、硫化镍粉末0.1-1份、片状氮化铝粉末0.01-0.5份、粘结剂2-3份、溶剂7-8份。
[0012]
进一步优选的技术方案是，所述硫化镍粉末负载于所述片状氮化铝。通过硫化镍在片状氮化铝表面的负载，在钎焊过程的升温以及后续冷却降温过程中，nis的一维材料局部单点体积变化通过硬质的二维材料片状氮化铝进一步放大，从而更好地缓解氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力、抑制了结合部钎料的溢出。
[0013]
优选地，所述片状氮化铝粉末的片径为3-10μm，径厚比不低于25；所述硫化镍粉末的粒度为300-500nm；所述金粉的粒度为1.5-3.2μm，所述锗粉的粒度为300-500nm。采用该粒度配合，可以实现对陶瓷基板的良好润湿、并兼顾对钎料钎焊过程中体积变化的控制。
[0014]
优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇缩醛；所述溶剂为松油醇。此外，粘结剂和溶剂还可以其他常规的钎料粘结剂和溶剂。
[0015]
所述复合钎料的钎焊温度为380-400℃。
[0016]
为实现本发明的第二目的，本发明采用如下的技术方案：上述用于钎焊氮化铝陶瓷与金属的复合钎料的制备方法，包括以下步骤：将金粉、锗粉、硫化镍粉末、片状氮化铝粉末、粘结剂、溶剂按照配比称重；将金粉、锗粉用研磨机进行研磨混料，之后真空烘干得到混合金属粉；将粘结剂溶于溶剂中形成复合钎料的分散介质；最后在分散介质中加入硫化镍粉末、片状氮化铝以及混合金属粉，搅拌均匀，得到成分均匀的复合钎料。
[0017]
优选地，先将硫化镍粉末负载于片状氮化铝形成负载于氮化铝的硫化镍，然后再加入分散介质中。进一步优选地，所述硫化镍粉末负载于片状氮化铝的方法为：将片状氮化铝和硫化镍加入质量百分比浓度为2-5%的聚乙二醇水溶液中，搅拌混合均匀，然后过滤、真空干燥，得到负载于氮化铝的硫化镍。优选地，片状氧化铝和硫化镍的总重量与聚乙二醇水溶液的重量比为1:10-1:50。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该复合钎料可以更好地适应氮化铝陶瓷基板，减少钎焊接合处的残余应力，提高接头剪切强度，并抑制接合处的钎料溢出，减少短路，使得钎焊质量更可靠、稳定。通过添加片状氮化铝特别是将一维硫化镍负载于片状氮化铝，进一步有效地消除了界面的残余应力并抑制钎料溢出，提高钎焊质量。
具体实施方式
[0019]
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下具体实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0020]
实施例1一种用于钎焊氮化铝陶瓷与金属的复合钎料的组成及其重量份数为：金粉88份、锗粉12份、硫化镍nis粉末0.5份、聚乙烯醇缩醛2.5份、松油醇7.5份。其中，硫化镍nis粉末的粒度为300-500nm；金粉的粒度为1.5-3.2μm，锗粉的粒度为300-500nm。该复合钎料的钎焊温
度为380-400℃，其中金粉和锗粉在356℃形成共晶，形成对氮化铝陶瓷基板良好的润湿；钎焊过程中，硫化镍nis发生相变，转变为α-nis，钎焊后逐渐降温的过程中，α-nis又转变为β-nis发生体积膨胀，部分抵销了钎料中金锗金属组分降温时产生的体积收缩，一定程度上降低了氮化铝陶瓷基板和铜板焊接接头内的残余应力、同时也抑制了结合部钎料的溢出。
[0021]
该复合钎料的制备方法是：将金粉、锗粉、硫化镍粉末、聚乙烯醇缩醛、松油醇按照配比称重；将金粉、锗粉用研磨机进行研磨混料，之后真空烘干得到混合金属粉；将聚乙烯醇缩醛溶于松油醇中形成复合钎料的分散介质；最后在分散介质中加入硫化镍粉末以及混合金属粉，搅拌均匀，得到成分均匀的复合钎料。
[0022]
实施例2与实施例1不同的是，实施例2中，复合钎料的组成及其重量份数为：金粉88份、锗粉12份、硫化镍粉末0.5份、片状氮化铝粉末0.5份、聚乙烯醇缩醛2.5份、松油醇7.5份。其中，片状氮化铝的片径为3-10μm，径厚比不低于25。
[0023]
该复合钎料的制备方法是：将金粉、锗粉、硫化镍粉末、片状氮化铝粉末、聚乙烯醇缩醛、松油醇按照配比称重；将金粉、锗粉用研磨机进行研磨混料，之后真空烘干得到混合金属粉；将聚乙烯醇缩醛溶于松油醇中形成复合钎料的分散介质；最后在分散介质中加入硫化镍粉末、片状氮化铝、以及混合金属粉，搅拌均匀，得到成分均匀的复合钎料。
[0024]
实施例3与实施例2不同的是，实施例3中，在复合钎料的制备过程中，硫化镍粉末是先负载于片状氮化铝表面，之后再加入于分散介质中。具体来说，是先将金粉、锗粉、硫化镍粉末、片状氮化铝粉末、聚乙烯醇缩醛、松油醇按照配比称重；然后将金粉、锗粉用研磨机进行研磨混料，之后真空烘干得到混合金属粉；将硫化镍粉末和片状氮化铝加入质量百分比浓度为3%的聚乙二醇水溶液，片状氧化铝和硫化镍的总重量与聚乙二醇水溶液的重量比选择为1:20，待搅拌混合均匀后，过滤、真空干燥，得到负载于氮化铝的硫化镍；之后再将负载于氮化铝的硫化镍加入聚乙烯醇缩醛溶于松油醇形成的分散介质中，并加入烘干的混合金属粉，搅拌均匀，得到成分均匀的复合钎料。
[0025]
实施例4与实施例3不同的是，实施例4中，复合钎料的组成及其重量份数为：金粉85份、锗粉15份、硫化镍nis粉末2份、片状氮化铝粉末1份、聚乙烯醇缩醛2份、松油醇8份。该复合钎料的制备方法同实施例3类似。在复合钎料的制备过程中，是先将复合钎料中2重量份数的硫化镍粉末和1重量份数的片状氮化铝加入质量百分比浓度为2%的聚乙二醇水溶液，片状氧化铝和硫化镍的总重量与聚乙二醇水溶液的重量比选择为1:50，待搅拌混合均匀后，过滤、真空干燥，得到负载于氮化铝的硫化镍，其余步骤与实施例3相同。
[0026]
实施例5与实施例3不同的是，实施例5中，复合钎料的组成及其重量份数为：金粉90份、锗粉8份、硫化镍nis粉末0.1份、片状氮化铝粉末0.01份、聚乙烯醇缩醛3份、松油醇7份。该复合钎料的制备方法同实施例3类似。在复合钎料的制备过程中，是先将复合钎料中0.1重量份数的硫化镍粉末和0.01重量份数的片状氮化铝加入质量百分比浓度为5%的聚乙二醇水溶液，片状氧化铝和硫化镍的总重量与聚乙二醇水溶液的重量比选择为1:10，待搅拌混合均匀后，过滤、真空干燥，得到负载于氮化铝的硫化镍，其余步骤与实施例3相同。
[0027]
实施例6与实施例3不同的是，实施例6中，复合钎料的组成及其重量份数为：金粉90份、锗粉8份、硫化镍nis粉末1份、片状氮化铝粉末0.5份、聚乙烯醇缩醛3份、松油醇7份。该复合钎料的制备方法同实施例3类似。在复合钎料的制备过程中，是先将复合钎料中1重量份数的硫化镍粉末和0.5重量份数的片状氮化铝加入质量百分比浓度为3%的聚乙二醇水溶液，片状氧化铝和硫化镍的总重量与聚乙二醇水溶液的重量比选择为1:30，待搅拌混合均匀后，过滤、真空干燥，得到负载于氮化铝的硫化镍，其余步骤与实施例3相同。
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对比例1本对比例为不添加硫化镍的相应钎料。具体来说本对比例中钎料的组成及其重量份数为：金粉88份、锗粉12份、聚乙烯醇缩醛2.5份、松油醇7.5份。该钎料通过以上方式制备得到：将金粉、锗粉、聚乙烯醇缩醛、松油醇按照配比称重；将金粉、锗粉用研磨机进行研磨混料，之后真空烘干得到混合金属粉；将聚乙烯醇缩醛溶于松油醇中形成复合钎料的分散介质；最后在分散介质中加入混合金属粉，搅拌均匀，得到成分均匀的钎料。
[0029]
将上述实施例得到的复合钎料和对比例1中的相应钎料进行性能测试。具体为：将氮化铝基板和无氧铜板分别用丙酮擦洗干净，将悬浮液形式的钎料在氮化铝基板流延成型得到150μm厚度的复合钎料膜，然后于50℃真空干燥5h。然后按照陶瓷层－钎料层－金属层的样式固定在一起，放入真空钎焊炉中，控制钎焊炉真空度为10-2-10-3
pa，在250℃保持1h, 然后升温到400℃烧结5min，然后降温到150℃保持20min，最后随炉自然冷却至室温。得到的钎焊接头经过剪切试验检测，通过剪断时输出的最大载荷换算接头剪切强度，测试结果如表1所示。
[0030]
表1
相比对比例1实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6剪切强度提高（％）11%18%24%34%17%31%
结果发现，实施例1-6复合钎料形成的连接接头的剪切强度相比于对比例1不添加硫化镍钎料形成的连接接头均有不同程度的提高。特别是添加负载于片状氮化硅的硫化镍后，连接接头的剪切强度提高更为明显。与此同时，经过对钎焊形成接头的形状观察发现，实施例1-6接头的边缘的钎料溢出明显少于对比例1。
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上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。