用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊的鋁硅銅釔釬料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(簡稱SiCp/Al)的焊接釬料及 其制備方法，特別涉及一種用于SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊的鋁硅銅釔釬料及其制備 方法，屬于焊接釬料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料以其高導(dǎo)熱率、低熱膨脹系數(shù)和低密度等優(yōu)異性能 在電子封裝中有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是在航空航天領(lǐng)域更是具有不可替代的優(yōu)越性，在 國家節(jié)能減排，軍事裝備持續(xù)升級換代的大背景下，該類復(fù)合材料更顯示其作為優(yōu)秀電子 封裝材料的重要地位。但其焊接性很差，成為限制其推廣應(yīng)用的瓶頸。釬焊是在微電子封 裝領(lǐng)域使用最廣泛的工藝，但目前缺乏釬焊溫度位于500°C -600°C之間的合適釬料以用于 該種復(fù)合材料的釬焊。目前，普遍用于釬焊SiCp/Al復(fù)合材料的釬料多為Al-Si系的多元合 金，其中應(yīng)用最多是Al-Si-Cu系的多元合金。為增加該系合金的潤濕性能，大都加入能改 善釬料流動(dòng)性的活性元素，形成了成分更為復(fù)雜的多元合金，造成釬料合金熔煉工藝繁瑣 困難，組織均勻性差。另有研究采用在Al-Si-Cu非共晶合金中添加微量稀土（Ce、Er)的方 法來提高釬料的潤濕性，但試驗(yàn)表明微量稀土并不能降低合金的熔點(diǎn)，且在現(xiàn)有的技術(shù)中， 釬料合金的熔煉普遍采用熔鹽保護(hù)的方法，該方法規(guī)范性差，可操作性不強(qiáng)，容易引入同樣 有負(fù)面變質(zhì)作用的Na、K等元素，已有的研究沒有解決稀土種類、稀土添加量、合金成分之 間的最佳配合問題，也沒有關(guān)于不同稀土對Al-Si-Cu合金的組織及性能影響規(guī)律的報(bào)告， 稀土添加在這種釬料領(lǐng)域的使用工藝和結(jié)果不可預(yù)測。中國專利申請?zhí)?01310405563. 4 公布了一種含稀土鈰的Al-5. 5Si-28Cu共晶釬料合金及其制備方法，通過摻加稀土 Ce,在 原來的Al-5. 5Si-28Cu釬料基礎(chǔ)上優(yōu)化了其力學(xué)性能、提高了釬料的潤濕性能，實(shí)驗(yàn)證明 這種稀土 Ce的加入對Al-5. 5Si-28Cu合金成分的釬料改性效用最大，在一定程度上滿足了 用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊釬料的要求，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種釬料具有以下不 足之處，一是該具有非常大的脆硬性，會(huì)割裂合金基體的連續(xù)性，在受力時(shí)由于不能與基體 金屬產(chǎn)生協(xié)調(diào)同步變形，容易在釬料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，釬料合金的脆性增加了釬料甩 帶的難度，即帶狀釬料的成形性較差，脆性極大。在后期釬焊復(fù)合材料時(shí)，脆性較大的帶狀 釬料容易在裝配階段被壓碎，出現(xiàn)微裂紋，造成焊接后的釬縫組織疏松，存在孔洞微裂紋等 缺陷，影響封裝材料的氣密性。同時(shí)，由于釬縫合金脆性較大導(dǎo)致連接處的應(yīng)力較大，也會(huì) 造成釬焊接頭的剪切強(qiáng)度較低，二是釬料的熔化溫度相對來說還高；三是在制備過程中需 要較高的溫度和工藝時(shí)間，四是稀土 Ce在制備過程中燒損率較高且不穩(wěn)定，造成在合金制 備過程中不可控，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，從以上可以看出，雖然微量的稀土對材料的改性是技術(shù) 人員普遍了解的內(nèi)容，但是應(yīng)用在具體的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接釬料上，Ce 的摻雜雖然對Al-5. 5Si-28Cu合金成分的釬料取得了一定的效果，但還有很多不足之處， 并非每種稀土對該釬料的摻雜都能夠取得很好的效果，在這種釬料中，為了取得良好的效 果，稀土元素的種類、摻雜量、原料、制備方法均不是可以預(yù)測的，所以為提高稀土對該釬料 改性的良性效率，尋找合適的合金成分、摻雜元素、原料、制備方法是這一領(lǐng)域需要填補(bǔ)的 空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的為克服以上現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基 復(fù)合材料釬焊的鋁硅銅釔釬料及其制備方法。
[0004] 本發(fā)明所提供的用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊的鋁硅銅釔釬料，所述的 鋁硅銅釔釬料含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20. 0%~28. 0%的Cu、質(zhì)量分?jǐn)?shù)6. 5%~10. 0%的Si、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0. 05%~0. 5%的Y，余量為A1，進(jìn)一步的，所述的鋁硅銅釔釬料含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20. 0%~25. 0% 的Cu、質(zhì)量分?jǐn)?shù)6. 5%~10. 0%的Si、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 05%~0. 5%的Y，余量為A1，進(jìn)一步的，所 述的鋁硅銅釔釬料含質(zhì)量分?jǐn)?shù)25. 0%的Cu、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8. 5%的Si、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 1%~0. 4%的 Y，余量為Al，進(jìn)一步的，所述的鋁硅銅釔釬料含質(zhì)量分?jǐn)?shù)25. 0%的Cu、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8. 5%的Si、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 1%~0. 4%的Y，余量為Al，進(jìn)一步的，熔煉所述鋁硅銅釔釬料所用原料組分為： 純度為99. 99%的Cu,純度為99. 99%的Al, Al-Si合金，Al-Y中間合金，進(jìn)一步的，所述的 Al-Si合金為Al-20Si合金，Al-20Si合金中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%， 進(jìn)一步的，所述的Al-Y中間合金為A1-10Y中間合金，A1-10Y中間合金中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 90%，Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。
[0005] 用于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊的鋁硅銅釔釬料制備方法，所述的鋁硅銅 釔釬料含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20. 0%~28. 0%的Cu、質(zhì)量分?jǐn)?shù)6. 5%~10. 0%的Si、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 05%~ 0. 5%的Y,余量為Al,所述的制備方法包括以下步驟： A :將純Al和Al-20Si合金置于真空感應(yīng)熔煉爐的坩堝內(nèi)，抽高真空后充入高純氬氣； B :快速加熱至700°C ~800°C，令坩堝內(nèi)的合金熔化完全，接著通過感應(yīng)爐上的加料裝 置將純Cu加入到熔融的Al-Si合金液中，形成Al-Si-Cu合金； C :熔化均勻后，將溫度穩(wěn)定在70(TC左右，然后通過加料裝置加入A1-10Y稀土合金，使 其與Al-Si-Cu合金熔液充分反應(yīng)，加以磁力攪拌，在600°C下保溫20-30min后靜置3分鐘 左右，澆注進(jìn)金屬型模具，在氬氣氣氛中冷卻凝固； D :取出釬料合金去除表面的氧化皮后按照同樣的方法重熔兩次，使各組分?jǐn)U散均勻， 最終澆注成棒狀。
[0006] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果為：本發(fā)明是在A1-25CU-8. 5Si合金中添加微量稀土 Y， 由于接近共晶成分，合金熔點(diǎn)較低，避免了高熔點(diǎn)造成的焊接困難，而添加微量稀土可以改 善高含量Cu引起的脆性，增加合金延展性，顯著提高潤濕性。本發(fā)明創(chuàng)造性的找出了稀土 Y添加量、Al-Si-Cu合金組成及其之間的配合關(guān)系，解決了在這種釬料中稀土種類、稀土添 加量、合金成分之間的最佳配合問題。本發(fā)明的Al-8. 5Si-25Cu摻雜微量稀土 Y釬料合金 與中國專利申請?zhí)?01310405563. 4A1-5. 5Si-28Cu摻雜微量稀土 Ce釬料合金比較，專利 申請?zhí)?01310405563. 4在Al-5. 5Si-28Cu成分時(shí)表現(xiàn)出了良性改性，本發(fā)明摻雜微量稀 土 Y后的合金成分做到Al-8. 5Si-25Cu表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，而這種性能在旋轉(zhuǎn)Ce作為稀 土摻雜元素時(shí)無法做到，本發(fā)明的合金成分相對于摻雜Ce的Al-5. 5Si-28Cu，一是能夠?qū)?Cu元素含量有效降低，最后得到的合金內(nèi)部Θ (Al2Cu)相的含量減少，Θ (Al2Cu)是一種金 屬間化合物，具有非常大的脆硬性，會(huì)割裂合金基體的連續(xù)性，在受力時(shí)由于不能與基體金 屬產(chǎn)生協(xié)調(diào)同步變形，容易在釬料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，大量的Θ (Al2Cu)也使釬料合金的 脆性增加，增加了釬料甩帶的難度，即帶狀釬料的成形性較差，脆性極大。在后期釬焊復(fù)合 材料時(shí)，脆性較大的帶狀釬料容易在裝配階段被壓碎，出現(xiàn)微裂紋，造成焊接后的釬縫組織 疏松，存在孔洞微裂紋等缺陷，影響封裝材料的氣密性。同時(shí)，由于釬縫合金脆性較大以及 Θ (Al2Cu)與SiC顆粒連接處的應(yīng)力較大，也會(huì)造成釬焊接頭的剪切強(qiáng)度較低，本發(fā)明中Cu 元素含量有效降低在很大程度上克服了這些問題。二是釬料合金中Si的含量得到了提高， 可Si以降低釬料合金的熔化溫度，SiC顆粒與金屬元素的晶體結(jié)構(gòu)差別較大，而活性元素 Si與SiC顆粒具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，且易于a (Al)形成共晶組織，因而其可以作為SiC顆 粒與釬料金屬連接的橋梁，促進(jìn)釬料對SiC顆粒的潤濕，本發(fā)明中Si含量的增加可以優(yōu)化 釬料的潤濕性能，再則稀土對合金中Si相的優(yōu)化變質(zhì)作用要強(qiáng)于對Θ (Al2Cu)和a (Al)的 優(yōu)化變質(zhì)效果，添加微量的稀土可以令粗大的Si相轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或顆粒狀，有效地降低大 塊Si相對基體的不利影響，但是對脆性相Θ (Al2Cu)的變質(zhì)效果有限，所以減少Cu的含量、 提高Si的含量可以提高稀土對釬料的優(yōu)化變質(zhì)效率，三是本發(fā)明中由于Cu含量減少，可以 降低釬料在制備過程中的溫度和縮短制備時(shí)間，四是稀土 Y和Ce相比，稀土 Y的燒損率較 低，經(jīng)甩帶處理和真空釬焊后，釬料中Y含量的變化較小，其在釬料合金中的偏析程度也較 低。即Y在變質(zhì)過程中的可控性較高。
【附圖說明】
[0007] 圖1 :對比例1的Al-8. 5Si_25Cu釬料合金的金相照片。
[0008] 圖2 :實(shí)施例2的Al-8. 5Si-25Cu-0. 4Y釬料合金的金相照片。