【摘 要】
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高体分比AlSiC复合材料具有高比强度、高比刚度、高导热以及热膨胀系数可调等优点,是一种理想的电子封装材料。然而,由于目前尚无成熟的针对AlSiC复合材料的连接工艺,该材料在实际工程应用中受到很大限制。因此,开发AlSiC同质以及异质材料的连接工艺和技术是高体分比AlSiC复合材料规模化应用的关键。本文在国内外现有的连接工艺基础上针对AlSiC复合材料的特性,创新性地提出了一种全新的AlSiC同质
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高体分比AlSiC复合材料具有高比强度、高比刚度、高导热以及热膨胀系数可调等优点,是一种理想的电子封装材料。然而,由于目前尚无成熟的针对AlSiC复合材料的连接工艺,该材料在实际工程应用中受到很大限制。因此,开发AlSiC同质以及异质材料的连接工艺和技术是高体分比AlSiC复合材料规模化应用的关键。本文在国内外现有的连接工艺基础上针对AlSiC复合材料的特性,创新性地提出了一种全新的AlSiC同质及异质材料连接技术,即半固态压力钎焊技术。通过设计钎料成分,并对钎焊过程中钎料的微观组织演变规律与压缩变形行为以及钎料与母材在界面上的相互作用、母材表面氧化膜的破碎机制和接头界面冶金结合机理进行系统研究,最终获得了最优的工艺方法和工艺参数,并通过验证表明了该技术的可行性。设计制备了退火态和轧制态的Zn-Al-Cu合金钎料。通过半固态保温处理,研究了钎焊过程中两种钎料的球晶组织转变过程,并阐明了两种钎料球晶组织的演变机制。研究了钎料初始状态、加热温度和保温时间对球晶组织的影响规律,发现相比于退火态钎料,轧制态钎料经半固态保温处理后获得的球晶组织更细小、均匀,晶粒球形度更高,并且在392℃,保温20min时,钎料中固相晶粒的形状因子最高,固相晶粒的体积分数为63%。通过热压缩实验研究了两种钎料的半固态压缩变形过程,并通过对钎料应变-应力曲线和压缩变形组织的分析,得到了钎料半固态压缩变形行为的变化规律。对于轧制态钎料,382℃时变形主要以固相晶粒的滑动机制为主;随着温度的升高,钎料初始变形以液-固相混合流动或液相流动机制为主,随后转变为以固相晶粒的滑动机制为主。对于退火态钎料,由于枝晶相互穿插和交错,钎料变形困难,应变较轧制态钎料显著降低。确定了压缩变形过程中,钎料与母材在界面上表现为压缩-挤压和摩擦-剪切的混合作用,而钎料固相率、固相晶粒形状因子、加热温度、保温时间及钎料初始状态是影响这两种作用的主要因素。通过系统工艺实验研究了AlSiC/AlSiC的半固态压力钎焊工艺,实现了AlSiC/AlSiC的冶金连接。发现相比于退火态钎料,轧制态钎料钎焊时氧化膜破除效果好,接头强度高;在392℃,10MPa时,接头界面上基本无氧化膜残留,接头剪切强度达110MPa,约为AlSiC母材强度的82%;继续升高焊接温度,钎料的固相率降低,母材表面氧化膜破除效果减弱,接头强度下降。此外,随着母材中SiC增强相含量的增加,母材表面Al合金基体和氧化膜比例降低,破膜难度下降,破膜效果提升。针对氧化膜破除效果对焊接温度较为敏感的问题,提出了一种连续升温的半固态压力钎焊优化工艺。通过研究连续升温过程中钎料的压缩变形行为,揭示了母材表面氧化膜的破碎机制。连续升温过程中钎料中固相晶粒会逐渐发生球化,并不断重复聚集和解聚过程,从而对母材表面施加较强的压缩-挤压和滑动-摩擦作用,使母材表面氧化膜逐渐破碎;当大量的液相出现后,液相在挤出过程中会对母材表面产生一定的冲刷作用,能够进一步剪切和剥离已破碎的氧化膜。优化工艺下,接头剪切强度随温度的升高先增加后趋于稳定,392℃后剪切强度基本保持在100MPa左右。通过系统工艺实验研究了AlSi/AlSi的半固态压力钎焊工艺。发现对AlSi/AlSi直接进行半固态压力钎焊时,AlSi母材和钎料表面连续氧化膜难以去除;当采用SiC颗粒辅助的半固态压力钎焊方法后,通过SiC颗粒的挤压作用能够成功破碎表面氧化膜,实现AlSi/AlSi的可靠连接。当SiC颗粒粒径为1μm,沉积量为3g/m2时,接头剪切强度为68MPa;继续增加颗粒沉积量至4g/m2时,界面上SiC颗粒堆积致密,钎料难以完整渗入颗粒间隙,导致颗粒层出现孔洞缺陷,接头强度降低。当颗粒粒径为5μm时,沉积量为16g/m2的情况下,钎料仍然能够完整的渗入颗粒层中,接头强度可达92MPa;断裂发生在SiC颗粒层与钎料的连接界面处,SiC颗粒层与钎料界面处残余应力较高是接头沿界面断裂的主要原因。通过SiC颗粒辅助半固态压力钎焊工艺成功实现了AlSiC/AlSi异种材料的连接,接头强度最高可达80MPa,较无SiC颗粒辅助钎焊接头有显著提高。对AlSiC管壳与AlSi连接层进行了SiC颗粒辅助半固态压力钎焊,钎焊接头具有较高的焊合率,但气密性还不能满足封装要求。对AlSiC水冷板进行了半固态压力钎焊,钎焊接头结合紧密,满足封装水密性要求。
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