蓝宝石低温超声钎焊工艺及界面形成机理

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蓝宝石作为一种光学材料,具有耐磨损、耐腐蚀、耐辐射等优点,在光学器件及半导体器件中的应用越来越广泛。针对目前蓝宝石连接存在难反应、难润湿、残余应力大等问题,本文提出了一种用含有Al的Sn基钎料超声波辅助钎焊蓝宝石的方法,研究了超声波作用下蓝宝石/钎料界面结合机理,分析了接头组织形貌及断口特征,探索了合适的蓝宝石低温钎焊工艺。研究发现,在230℃超声波作用下SnZnAl能和蓝宝石形成可靠结合。SEM分析发现,SnZnAl/蓝宝石界面处有一层化合物形成。TEM分析表明这层化合物是-Al2O3纳米晶(nano-crystalline-Al2O3layer-NCAL),在超声作用1000s时这层化合物厚度约为100nm。分析认为,该NCAL层是由超声作用下钎料中的Al发生氧化反应生成。270℃下用SnAgCuAl超声钎焊蓝宝石时,在蓝宝石/钎料界面处也观察到有一层Al2O3生成,Al2O3是连接蓝宝石和钎料的过渡层。随着超声处理时间的延长,界面反应产物的数量增加。超声波促进界面反应的同时也促进钎料中的Al向界面处扩散,焊缝内部微区成分分析表明靠近界面处钎料中Al的含量高于远离界面钎料中Al的含量。对剪切断口进行分析发现,生成的Al2O3与蓝宝石的结合强于Al2O3与钎料的结合,断裂发生在Al2O3与钎料的结合处。力学性能测试结果表明,随着超声作用时间的增长接头剪切强度提高,最高强度为57MPa。180℃下用SnBiAl实现了蓝宝石在更低温度下的连接,剪切强度最高可达28MPa。随超声波作用时间增长,界面附近Al的氧化加剧,界面处生成的Al2O3增多,使界面的粗糙度增大,提高了接头的力学性能。断口分析发现,断裂同样发生在Al2O3与钎料的结合处,超声作用时间增长断口蓝宝石一侧残留的Bi增多,从侧面可以说明超声时间延长使钎料与蓝宝石结合得更好,强度提高。
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