金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硬質(zhì)材料間的釬焊技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)應(yīng)用要求的不斷提高，以及新材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)材料的連接技術(shù)提出了更高的要求。軟釬焊工藝是一種很有應(yīng)用前景的材料連接方法。然而，受低溫釬料合金本身熔點(diǎn)的限制，形成的釬焊接頭在高溫環(huán)境下服役時(shí)很容易發(fā)生接合強(qiáng)度惡化的現(xiàn)象，個(gè)別情況下，環(huán)境溫度超過釬料熔點(diǎn)時(shí)，甚至可能引起釬料接頭發(fā)生重熔使接頭失效的問題。

一般的獲得高熔點(diǎn)接頭的方法是使用具有較高熔點(diǎn)的釬料合金，但由于有毒元素、互連可靠性不佳、成本偏高等原因，這些高溫釬料合金的實(shí)際應(yīng)用受到了很大限制。另一部分研究者另辟蹊徑，希望從焊接工藝上入手，如利用過渡液相焊接技術(shù)，借助延長(zhǎng)熔化釬料與金屬焊盤的冶金反應(yīng)時(shí)間，制備高熔點(diǎn)金屬間化合物或固溶體接頭，然而由于合金元素?cái)U(kuò)散過程緩慢，該方法常需要較長(zhǎng)的焊接時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中既降低了生產(chǎn)效率也容易由于附加熱應(yīng)力的作用對(duì)接頭的可靠性產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法，以解決使用具有較高熔點(diǎn)的釬料合金不易制造高熔點(diǎn)接頭的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法，包括：將釬料層預(yù)置于硬質(zhì)母材之間，并將接頭裝配在夾具上，所述釬料層的熔點(diǎn)低于所述硬質(zhì)母材的熔點(diǎn)；在室溫條件下，將超聲焊桿作用于所述母材表面并先后施加壓力和超聲振動(dòng)，振動(dòng)結(jié)束后繼續(xù)保持壓力，待所述釬料層完全凝固時(shí)取出所述接頭，完成釬焊過程。

進(jìn)一步地，所述釬料層的厚度為10-100μm。

進(jìn)一步地，所述硬質(zhì)母材的材質(zhì)為金屬、陶瓷、金屬基或帶有金屬基鍍層的復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，位于所述釬料層上下的兩層硬質(zhì)母材為同質(zhì)材料或異質(zhì)材料。

進(jìn)一步地，所述硬質(zhì)母材的形狀為片狀、板狀、棒狀或管狀。

進(jìn)一步地，超聲振動(dòng)的頻率為18-60kHz，超聲振動(dòng)時(shí)間為2-120s，超聲振動(dòng)方向平行于所述硬質(zhì)母材表面。

進(jìn)一步地，超聲焊桿作用于母材表面施加的壓力為0.2-5MPa。

進(jìn)一步地，所述釬料層的材料為低溫釬料合金箔或純金屬釬料箔。

本發(fā)明提供的金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法，在焊接過程中形成的金屬間化合物的熔點(diǎn)通常要高于釬料層的熔點(diǎn)，因此該制備方法可以在較低的焊接溫度下制備具有較高熔點(diǎn)的接頭。通過該方法制備金屬間化合物接頭時(shí)，焊接過程在室溫環(huán)境下進(jìn)行，避免了其他制備金屬間化合物接頭方法中必需的高溫加熱過程；施加于母材表面的超聲振動(dòng)在釬料層和金屬母材界面處引起的摩擦運(yùn)動(dòng)對(duì)母材表面的氧化層和污染物有破碎和清除作用，因此無需使用助焊劑；在焊接過程中超聲對(duì)釬料和母材間界面的冶金反應(yīng)起促進(jìn)作用，本發(fā)明提供的方法可以在短時(shí)間內(nèi)快速形成金屬間化合物接頭。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法的步驟流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的由Cu/Sn/Cu材料體系形成金屬間化合物接頭的室溫超聲制備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的由Si/Sn/Si材料體系形成金屬間化合物接頭的室溫超聲制備結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的一種金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

本發(fā)明的核心思想在于，本發(fā)明提供的金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法，在焊接過程中形成的金屬間化合物的熔點(diǎn)通常要高于釬料層的熔點(diǎn)，因此該制備方法可以在較低的焊接溫度下制備具有較高熔點(diǎn)的接頭。通過該方法制備金屬間化合物接頭時(shí)，焊接過程在室溫環(huán)境下進(jìn)行，避免了其他制備金屬間化合物接頭方法中必需的高溫加熱過程；施加于母材表面的超聲振動(dòng)在釬料層和金屬母材界面處引起的摩擦運(yùn)動(dòng)對(duì)母材表面的氧化層和污染物有破碎和清除作用，因此無需使用助焊劑；在焊接過程中超聲對(duì)釬料和母材間界面的冶金反應(yīng)起促進(jìn)作用，本發(fā)明提供的方法可以在短時(shí)間內(nèi)快速形成金屬間化合物接頭。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法的步驟流程示意圖。參照?qǐng)D1，本發(fā)明實(shí)施例提供一種金屬間化合物接頭的室溫超聲制備方法，包括以下步驟：

S11、將釬料層預(yù)置于硬質(zhì)母材之間，并將接頭裝配在夾具上，所述釬料層的熔點(diǎn)低于所述硬質(zhì)母材的熔點(diǎn)；

S12、在室溫條件下，將超聲焊桿作用于所述母材表面并先后施加壓力和超聲振動(dòng)，振動(dòng)結(jié)束后繼續(xù)保持壓力，待所述釬料層完全凝固時(shí)取出所述接頭，完成釬焊過程。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述釬料層的厚度為10-100μm，所述釬料層的材料為低溫釬料合金箔或純金屬釬料箔，進(jìn)一步地，其中，低溫釬料合金箔的厚度為10-100μm，純金屬釬料箔的厚度為10-50μm；所述硬質(zhì)母材的材質(zhì)為金屬、陶瓷、金屬基或帶有金屬基鍍層的復(fù)合材料，位于所述釬料層上下的兩層硬質(zhì)母材可以為同質(zhì)材料或異質(zhì)材料，所述硬質(zhì)母材的形狀可以為片狀、板狀、棒狀或管狀。

進(jìn)一步地，超聲振動(dòng)的頻率為18-60kHz，超聲振動(dòng)時(shí)間為2-120s，超聲振動(dòng)方向平行于所述硬質(zhì)母材表面，超聲焊桿作用于母材表面施加的壓力為0.2-5MPa。

實(shí)施例一

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的由Cu/Sn/Cu材料體系形成金屬間化合物接頭的室溫超聲制備結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D2，取厚度為25μm、尺寸為3mm×3mm的純度為99.9%的錫釬料片21置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，然后風(fēng)干待用；取兩片尺寸為3mm×3mm×0.3mm的純銅片，將錫釬料片21置于第一銅母材22和第二銅母材23之間，并將組裝后的接頭置于帶有限制夾具的下聲極24上。將上聲極25作用于第一銅母材22表面并施加0.6MPa的壓強(qiáng)，隨后開啟超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)的頻率、功率和時(shí)間分別為20kHz、750W和3s，超聲振動(dòng)方向平行于銅母材的上表面，超聲振動(dòng)將在釬料層和金屬母材界面處引起摩擦運(yùn)動(dòng)，通過摩擦產(chǎn)熱使釬料層受熱熔化，超聲振動(dòng)結(jié)束后，停止加熱并繼續(xù)對(duì)接頭保持壓力，待接頭中的釬料合金完全凝固時(shí)取出接頭，完成釬焊過程。

從接頭的顯微組織分析表明，在形成的接頭中原本的釬料中間層錫釬料片21已完全被冶金反應(yīng)耗盡，在兩側(cè)銅基板間形成了一層致密的CuSn層，形成完全的金屬間化合物接頭。力學(xué)性能測(cè)試表明，接頭的剪切失效發(fā)生在CuSn層中，測(cè)得的平均剪切強(qiáng)度值為53.7MPa。

實(shí)施例二

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的由Si/Sn/Si材料體系形成金屬間化合物接頭的室溫超聲制備結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D3，取厚度為20μm、尺寸為4mm×4mm的純度為99.9%錫釬料片31置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，然后風(fēng)干待用。

取兩片尺寸為4mm×4mm×0.4mm的帶有50 nm (Ti)/50 nm (Ni)/5 μm (Cu)鍍層的硅片，將錫釬料片31置于第一硅母材32和第二硅母材33之間，并將組裝后的接頭置于帶有限制夾具的下聲極34上。將上聲極35作用于第一硅母材32表面并施加0.6MPa的壓強(qiáng)，隨后開啟超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)的頻率、功率和時(shí)間分別為20kHz、750W和4s，超聲振動(dòng)方向平行與硅母材的上表面。超聲振動(dòng)結(jié)束后，停止加熱并繼續(xù)對(duì)接頭保持壓力，待接頭中的釬料合金完全凝固時(shí)取出接頭，完成釬焊過程。

接頭的顯微組織分析表明，在形成的接頭中原本的釬料中間層錫釬料片31已完全被冶金反應(yīng)耗盡，在兩側(cè)Cu基板間形成了一層致密的CuSn層，形成完全的金屬間化合物接頭。力學(xué)性能測(cè)試表明，接頭的剪切失效發(fā)生在CuSn層中，測(cè)得的平均剪切強(qiáng)度值為65.8Mpa。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。