本發(fā)明屬于材料焊接與連接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料及其制備方法及使用該釬料的釬焊方法。

背景技術(shù)：

高硅鋁基復(fù)合材料（vol.%,si=30～60%）集高導(dǎo)熱、低密度、低膨脹系數(shù)和高耐磨性等優(yōu)良綜合性能于一身，在航空、航天、汽車、空間技術(shù)以及相機(jī)制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，相控陣?yán)走_(dá)t/r模塊電子封裝就是其重要應(yīng)用方向之一，可替代傳統(tǒng)的kovar合金、w/cu、mo/cu等傳統(tǒng)電子封裝材料而成為新一代電子封裝材料。焊接作為高硅鋁基復(fù)合材料推廣應(yīng)用的重要二次加工技術(shù)，其連接界面包括硅鋁基復(fù)合材料/金屬釬料界面（強(qiáng)連接界面）以及硅相/金屬釬料界面（弱連接界面），具體來說，金屬釬料在硅顆粒表面的潤濕性差，在焊接過程中易造成焊縫局部位置形成氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷，從而限制了高硅鋁基復(fù)合材料在電子封裝領(lǐng)域的推廣使用。大量研究表明，通過采用活性中間層結(jié)合真空硬釬焊的方法可實(shí)現(xiàn)該高硅鋁基復(fù)合材料的有效連接。

al-si-cu系釬料具有熔點(diǎn)低、流動性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛作為中間層（釬料）用于釬焊硅鋁基復(fù)合材料。釬料合金中若存在mg元素，在真空環(huán)境下，mg蒸氣可破裂釬料和高硅鋁基復(fù)合材料表面氧化膜外殼，促進(jìn)液態(tài)釬料與母材間形成傳質(zhì)通道；mg作為活性元素與si顆粒表面的sio2薄層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可提高釬料的潤濕性。另有研究表明，稀土ce添加在al-si-cu系釬料合金中可變質(zhì)粗大的初晶si相及al2cu脆性相，從而細(xì)化釬料合金組織；在釬料合金熔化后，ce富集于液態(tài)釬料表面，能夠顯著降低液態(tài)釬料表面張力。此外，采用快速凝固、單輥甩帶技術(shù)制備的急冷箔狀釬料，具有成分均勻、組織細(xì)小，元素固溶度高等特性，與同組分、低過冷度條件下制備的釬料相比，箔狀釬料可促進(jìn)接頭的有效連接。所以本發(fā)明旨在研發(fā)一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料及其制備方法及使用該釬料的釬焊方法，從而解決高硅鋁基復(fù)合材料潤濕性差、連接難的問題，以期望焊接構(gòu)件的接頭綜合性能達(dá)到電子封裝產(chǎn)品的使用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，本發(fā)明的目的是針對高硅鋁基復(fù)合材料潤濕性差，難以滿足焊接接頭高強(qiáng)、高氣密性等電子封裝產(chǎn)品使用要求的問題，而提供了一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料及其制備方法及使用該釬料的釬焊方法。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料，所述釬料為箔狀，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、余量為al。

一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料的制備方法，其特征在于通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

s1、混料：將配比好的純度高于99.99%的al、cu單質(zhì)以及al-20si中間合金置于高真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，把a(bǔ)l-10ce中間合金置于坩堝上方特有的二次加料裝置中，把a(bǔ)l-50mg中間合金置于不銹鋼模具中，然后將熔煉爐腔體抽真空至1×10^-3pa～3×10^-3pa，隨后充入高純氬氣至熔煉爐腔體內(nèi)氣壓為0mpa；

s2、電磁感應(yīng)熔煉制備釬料毛坯：打開感應(yīng)加熱電源，預(yù)熱石墨坩堝至300℃～400℃，然后在6min～10min時間內(nèi)將石墨坩堝加熱至1500℃～1600℃，令石墨坩堝內(nèi)的金屬原料熔化完全，并保溫10min～15min，然后降溫至1000℃～1100℃并控制二次加料裝置，使al-10ce中間合金自然落入金屬液中，并保溫10min～15min。然后把合金液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔al-50mg中間合金，使得合金液與al-50mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

s3、熔鹽保護(hù)精練釬料：將第二步中制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩堝中，并加入kcl和licl的混合熔鹽覆蓋，然后放入坩堝電阻爐內(nèi)；打開坩堝電阻爐加熱電源，待爐溫升至700℃～750℃使釬料熔化并保溫1h，然后借助玻璃棒攪拌合金液10s～15s，繼續(xù)保溫3h～4h；關(guān)閉加熱電源等待爐溫降至650℃～660℃，取出坩堝把合金液倒入柱形不銹鋼模具中，釬料自然冷卻得到精練釬料的合金柱體；

s4、制備急冷箔狀釬料：將第三步制備得到的釬料合金柱體清洗干凈后置于石英管中，并將石英管固定在真空甩帶機(jī)爐腔內(nèi)的感應(yīng)線圈中，調(diào)整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.5mm～1.7mm；然后對甩帶機(jī)腔體抽真空至1×10^-3pa～2×10^-3pa后通入氬氣；然后啟動銅輥旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)，調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速至1200r/min～1300r/min，打開感應(yīng)加熱電源，調(diào)節(jié)電流至10a～12a，加熱2min～4min，石英管內(nèi)的釬料合金完全熔化后對石英管內(nèi)通入1×10^-2pa～5×10^-2pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，最終獲得al-si-cu-mg-ce箔狀釬料，釬料厚度為80μm～100μm。

作為優(yōu)選，所述步驟s3中，混合熔鹽kcl與licl的質(zhì)量比為1:1。

一種高硅鋁基復(fù)合材料的釬焊方法，其特征在于通過以下步驟進(jìn)行：

h1、待焊面預(yù)處理：將高硅鋁基復(fù)合材料的待焊面在200#砂紙上打磨平整，然后在濃度為7%～8%的hcl水溶液中侵蝕60s～90s，然后超聲水洗10min～15min，再在酒精-丙酮混合液中超聲清理10min～15min，取出冷風(fēng)吹干；箔狀釬料在酒精-丙酮混合液中超聲清理10min～15min，然后放入干凈酒精中待用；

h2、焊件與釬料裝夾：從酒精中取出箔狀釬料，并迅速置其于高硅鋁基復(fù)合材料待焊部位，調(diào)整釬料與高硅鋁基復(fù)合材料的相對位置，施加4mpa～6mpa的壓力，完成高硅鋁基復(fù)合材料與釬料的裝夾；

h3、真空釬焊：將第三步裝配好的待焊件置于真空釬焊爐中，真空度為6×10^-4pa～1×10^-3pa，然后以15℃/min～20℃/min的速度升溫至500℃，保溫5min～8min，再以10℃/min～15℃/min的速度升溫至565℃～590℃，保溫20min～40min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成高硅鋁基復(fù)合材料的真空釬焊。

進(jìn)一步的，所述步驟h1中超聲水洗過程所用水為去離子水。

作為優(yōu)選，所述步驟h1中的高硅鋁基復(fù)合材料為si相體積含量在30%～60%之間的高硅鋁基復(fù)合材料。

本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明采用al-cu-si-mg-ce制備箔狀釬料，使用該釬料對高硅鋁基復(fù)合材料進(jìn)行真空釬焊，液態(tài)釬料的擴(kuò)散能力強(qiáng)，可與高硅鋁基復(fù)合材料形成冶金連接，其中si顆粒與釬料界面結(jié)合良好，所得釬焊接頭連接強(qiáng)度高、氣密性高；本發(fā)明獲得的高硅鋁基復(fù)合材料真空釬焊接頭可實(shí)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度達(dá)到65mpa，氣密性達(dá)到10^-8pa?m³/s的性能指標(biāo)。

附圖說明

圖1為高硅鋁基復(fù)合材料al-50si（wt%）的微觀組織光鏡圖。

圖2為實(shí)施例1中al-20cu-5si-1mg-3ce釬料的微觀組織光鏡圖。

圖3為實(shí)施例1中al-50si（wt%）復(fù)合材料的真空釬焊接頭掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面以高硅鋁基復(fù)合材料al-50si（wt%）作為釬焊對象，結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

如圖1所示，高硅鋁基復(fù)合材料為si相的體積含量50%的硅鋁基復(fù)合材料即al-50si（wt%）硅鋁基復(fù)合材料。

實(shí)施例1

一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料的制備方法，按照如下步驟進(jìn)行：

s1、混料：將配比好的純度高于99.99%的al、cu單質(zhì)以及al-20si中間合金置于高真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，把a(bǔ)l-10ce中間合金置于坩堝上方特有的二次加料裝置中，把a(bǔ)l-50mg中間合金置于不銹鋼模具中，然后將熔煉爐腔體抽真空至1×10^-3pa～3×10^-3pa，隨后充入高純氬氣至熔煉爐腔體內(nèi)氣壓為0mpa；

s2、電磁感應(yīng)熔煉制備釬料毛坯：打開感應(yīng)加熱電源，預(yù)熱石墨坩堝至300℃～400℃，然后在10min時間內(nèi)將石墨坩堝加熱至1500℃～1600℃，令石墨坩堝內(nèi)的金屬原料熔化完全，并保溫15min，然后降溫至1100℃并控制二次加料裝置，使al-10ce中間合金自然落入金屬液中，并保溫15min。然后把合金液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔al-50mg中間合金，使得合金液與al-50mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

s3、熔鹽保護(hù)精練釬料：將第二步中制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩堝中，并加入kcl和licl的混合熔鹽（質(zhì)量比1:1）覆蓋，然后放入坩堝電阻爐內(nèi)；打開坩堝電阻爐加熱電源，待爐溫升至750℃使釬料熔化并保溫1h，然后借助玻璃棒攪拌合金液15s，繼續(xù)保溫4h；關(guān)閉加熱電源等待爐溫降至660℃，取出坩堝把合金液倒入柱形不銹鋼模具中，釬料自然冷卻得到精練釬料的合金柱體，其微觀組織如圖2所示，si相細(xì)?。?/p>

s4、制備急冷箔狀釬料：將第三步制備得到的釬料合金柱體清洗干凈后置于石英管中，并將石英管固定在真空甩帶機(jī)爐腔內(nèi)的感應(yīng)線圈中，調(diào)整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.7mm；然后對甩帶機(jī)腔體抽真空至1×10^-3pa～2×10^-3pa后通入氬氣；然后啟動銅輥旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)，調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速至1300r/min，打開感應(yīng)加熱電源，調(diào)節(jié)電流至12a，加熱3min，石英管內(nèi)的釬料合金完全熔化后對石英管內(nèi)通入1×10^-2pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，獲得80μm厚的釬料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料的成分為20wt%cu、5wt%si、1wt%mg、3wt%ce、71wt%al，其微觀組織如圖2所示。

一種高硅鋁基復(fù)合材料的釬焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料對如圖1所示高硅鋁基復(fù)合材料al-50si（wt%）進(jìn)行釬焊，按照如下步驟：

h1、待焊面預(yù)處理：將高硅鋁基復(fù)合材料的待焊面在200#砂紙上打磨平整，然后在濃度為8%的hcl水溶液中侵蝕90s，然后超聲水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，取出冷風(fēng)吹干；箔狀釬料在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，然后放入干凈酒精中待用；

h2、焊件與釬料裝夾：從酒精中取出箔狀釬料，并迅速置其于高硅鋁基復(fù)合材料待焊部位，調(diào)整釬料與高硅鋁基復(fù)合材料的相對位置，施加5mpa的壓力，完成高硅鋁基復(fù)合材料與釬料的裝夾；

h3、真空釬焊：將第三步裝配好的待焊件置于真空釬焊爐中，以20℃/min的速度升溫至500℃，保溫8min，再以15℃/min的速度升溫至580℃，保溫30min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成高硅鋁基復(fù)合材料的真空釬焊。

本實(shí)施例獲得釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到65mpa，氣密性達(dá)到1×10^-8pa?m³/s。本實(shí)施例釬焊接頭掃描電鏡照片如圖3所示，接頭界面結(jié)合良好，釬料與母材連接緊密，無裂紋、孔洞等焊接缺欠。

實(shí)施例2：

一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料的制備方法，按照如下步驟進(jìn)行：

s1、混料：將配比好的純度高于99.99%的al、cu單質(zhì)以及al-20si中間合金置于高真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，把a(bǔ)l-10ce中間合金置于坩堝上方特有的二次加料裝置中，把a(bǔ)l-50mg中間合金置于不銹鋼模具中，然后將熔煉爐腔體抽真空至1×10^-3pa，隨后充入高純氬氣至熔煉爐腔體內(nèi)氣壓為0mpa；

s2、電磁感應(yīng)熔煉制備釬料毛坯：打開感應(yīng)加熱電源，預(yù)熱石墨坩堝至400℃，然后在8min時間內(nèi)將石墨坩堝加熱至1500℃，令石墨坩堝內(nèi)的金屬原料熔化完全，并保溫12min，然后降溫至1100℃并控制二次加料裝置，使al-10ce中間合金自然落入金屬液中，并保溫12min。然后把合金液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔al-50mg中間合金，使得合金液與al-50mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

s3、熔鹽保護(hù)精練釬料：將h2中制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩堝中，并加入kcl和licl的混合熔鹽（質(zhì)量比1:1）覆蓋，然后放入坩堝電阻爐內(nèi)；打開坩堝電阻爐加熱電源，待爐溫升至750℃使釬料熔化并保溫1h，然后借助玻璃棒攪拌合金液10s，繼續(xù)保溫3h；關(guān)閉加熱電源等待爐溫降至660℃，取出坩堝把合金液倒入柱形不銹鋼模具中，釬料自然冷卻得到精練釬料的合金柱體；

s4、制備急冷箔狀釬料：將h3制備得到的釬料合金柱體清洗干凈后置于石英管中，并將石英管固定在真空甩帶機(jī)爐腔內(nèi)的感應(yīng)線圈中，調(diào)整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.5mm；然后對甩帶機(jī)腔體抽真空至1×10^-3pa后通入氬氣；然后啟動銅輥旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)，調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速至1250r/min，打開感應(yīng)加熱電源，調(diào)節(jié)電流至12a，加熱3min，石英管內(nèi)的釬料合金完全熔化后對石英管內(nèi)通入1×10^-2pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，獲得90μm厚的釬料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料的成分為20%cu、5.0%si、1.5%mg、2.0%ce和71.5%al。

一種高硅鋁基復(fù)合材料的釬焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料對如圖1所示高硅鋁基復(fù)合材料al-50si（wt%）進(jìn)行釬焊，按照如下步驟：

h1、待焊面預(yù)處理：將高硅鋁基復(fù)合材料的待焊面在200#砂紙上打磨平整，然后在濃度為7%的hcl水溶液中侵蝕90s，然后超聲水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，取出冷風(fēng)吹干；箔狀釬料在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，然后放入干凈酒精中待用；

h2、焊件與釬料裝夾：從酒精中取出箔狀釬料，并迅速置其于高硅鋁基復(fù)合材料待焊部位，調(diào)整釬料與高硅鋁基復(fù)合材料的相對位置，施加5mpa的壓力，完成高硅鋁基復(fù)合材料與釬料的裝夾；

h3、真空釬焊：將h3裝配好的待焊件置于真空釬焊爐中，以20℃/min的速度升溫至500℃，保溫8min，再以10℃/min的速度升溫至570℃，保溫30min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成高硅鋁基復(fù)合材料的真空釬焊。

本實(shí)施例獲得釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到68mpa，氣密性達(dá)到6×10^-9pa?m³/s。本實(shí)施例釬焊接頭界面結(jié)合良好，釬料與母材連接緊密，無裂紋、孔洞等焊接缺欠。

實(shí)施例3：

一種高硅鋁基復(fù)合材料釬料的制備方法，如下步驟進(jìn)行：

s1、混料：將配比好的純度高于99.99%的al、cu單質(zhì)以及al-20si中間合金置于高真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，把a(bǔ)l-10ce中間合金置于坩堝上方特有的二次加料裝置中，把a(bǔ)l-50mg中間合金置于不銹鋼模具中，然后將熔煉爐腔體抽真空至1×10^-3pa，隨后充入高純氬氣至熔煉爐腔體內(nèi)氣壓為0mpa；

s2、電磁感應(yīng)熔煉制備釬料毛坯：打開感應(yīng)加熱電源，預(yù)熱石墨坩堝至400℃，然后在10min時間內(nèi)將石墨坩堝加熱至1600℃，令石墨坩堝內(nèi)的金屬原料熔化完全，并保溫12min，然后降溫至1100℃并控制二次加料裝置，使al-10ce中間合金自然落入金屬液中，并保溫12min。然后把合金液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔al-50mg中間合金，使得合金液與al-50mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

s3、熔鹽保護(hù)精練釬料：將h2中制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后置于陶瓷坩堝中，并加入kcl和licl的混合熔鹽（質(zhì)量比1:1）覆蓋，然后放入坩堝電阻爐內(nèi)；打開坩堝電阻爐加熱電源，待爐溫升至750℃使釬料熔化并保溫1h，然后借助玻璃棒攪拌合金液10s，繼續(xù)保溫3h；關(guān)閉加熱電源等待爐溫降至660℃，取出坩堝把合金液倒入柱形不銹鋼模具中，釬料自然冷卻得到精練釬料的合金柱體；

s4、制備急冷箔狀釬料：將h3制備得到的釬料合金柱體清洗干凈后置于石英管中，并將石英管固定在真空甩帶機(jī)爐腔內(nèi)的感應(yīng)線圈中，調(diào)整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.6mm；然后對甩帶機(jī)腔體抽真空至1×10^-3pa后通入氬氣；然后啟動銅輥旋轉(zhuǎn)控制開關(guān)，調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速至1200r/min，打開感應(yīng)加熱電源，調(diào)節(jié)電流至12a，加熱3min，石英管內(nèi)的釬料合金完全熔化后對石英管內(nèi)通入1×10^-2pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，獲得95.6μm厚的釬料箔片，所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料的成分為22%cu、7.0%si、2.0%mg、3.0%ce和66.0%al。

一種高硅鋁基復(fù)合材料的釬焊方法，利用上述方法所得的al-si-cu-mg-ce箔狀釬料對如圖1所示高硅鋁基復(fù)合材料al-50si（wt%）進(jìn)行釬焊，按照如下步驟：

h1、待焊面預(yù)處理：將高硅鋁基復(fù)合材料的待焊面在200#砂紙上打磨平整，然后在濃度為7%的hcl水溶液中侵蝕90s，然后超聲水洗5min，再在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，取出冷風(fēng)吹干；箔狀釬料在酒精-丙酮混合液中超聲清理15min，然后放入干凈酒精中待用；

h2、焊件與釬料裝夾：從酒精中取出箔狀釬料，并迅速置其于高硅鋁基復(fù)合材料待焊部位，調(diào)整釬料與高硅鋁基復(fù)合材料的相對位置，施加5mpa的壓力，完成高硅鋁基復(fù)合材料與釬料的裝夾；

h3、真空釬焊：將h3裝配好的待焊件置于真空釬焊爐中，以20℃/min的速度升溫至500℃，保溫8min，再以10℃/min的速度升溫至575℃，保溫40min，然后隨爐冷卻至室溫，即完成高硅鋁基復(fù)合材料的真空釬焊。

本實(shí)施例獲得釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到66.8mpa，氣密性達(dá)到8×10^-9pa?m³/s。本實(shí)施例釬焊接頭界面結(jié)合良好，釬料與母材連接緊密，無裂紋、孔洞等焊接缺欠。

綜上所述，通過本實(shí)施例的描述，可以使本技術(shù)領(lǐng)域人員更好的實(shí)施本方案。