高体积分数铝基复合材料用Al‑Mg‑Ga系活性软钎料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高体积分数铝基复合材料用Al‑Mg‑Ga系活性软钎料及其制备方法：将纯Al铸锭、纯Mg铸锭以及纯Ga采用熔炼法制成熔炼块，将熔炼块急冷甩带形成Al‑Mg‑Ga系活性软钎料，该Al‑Mg‑Ga系活性软钎料按质量分数由48～70％的Al、20～32％的Mg以及10～20％的Ga组成，其熔化区间低于450℃，可在450℃条件下使用，钎焊高体积分数铝基复合材料可得到高剪切强度焊接接头，且界面润湿性良好，也可以用于500℃硬钎焊。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料及其制备方法，属于焊接材料领域。
技术介绍
为了满足高密度、小型化、大功率集成电路的要求，理想的电子封装材料必须具备以下特性(参考文献1)：l)有较高的热导率，能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去，以免芯片温度过高而失效；2)有较低的热膨胀系数(CTE)且与Si或GaAs等芯片相匹配，以免芯片因热应力损坏；3)有足够的强度和刚度，对芯片能起到支承和保护作用；成本要尽可能低，而且在某些特殊场合(如航空应用方面)还要求密度尽可能小。传统的电子封装材料主要有Cu、Al、因瓦合金(Invar)、可伐合金(Kovar)、Cu-W合金、Mo/Cu合金等，它们都存在一定缺陷，不能严格地满足上述要求，适应不了现代先进电子封装的应用。比如，Cu和Al热膨胀系数过大，容易产生热应力；Mo和W的价格昂贵，密度大；而Invar、Kovar合金的导热性能很差(参考文献2)。相较之下，高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料以其高导热率、居中可调的膨胀系数和低密度，高比强度集一身的优异性能在电子封装领域越来越受到青睐(参考文献3)。SiCp/Al电子封装复合材料经过近十年的研究和发展己经开始从试验阶段走入实用化阶段，但由于生产成本还较高，主要还是应用于军用电子产品，包括军用功率混合电路(HIC)、微波管的载体(Microwavecarrier)、多芯片组件(MCM)的热沉和超大功率(IGBT)模块的封装，均取得了较好的效果(参考文献4)。在电子封装领域，希望焊接方法具有高效、低温、低压的特点。而焊接材料(如钎料)是决定能否在低温、低压、快速的条件下获得合格接头的决定性条件之一。软钎焊是实现铝基复合材料低温、大面积连接的有效方法之一。但是，铝基复合材料的软钎焊存在很大的困难，原因有二：一是铝基复合材表面被大量的SiC陶瓷颗粒占据，这些SiC陶瓷颗粒对常用铝基钎料的润湿性极差；二是较低的软钎焊温度进一步恶化了SiC/钎料界面的润湿性。为此，现有两种途径改善SiC/钎料界面的润湿性：一是导入超声振动；二是研发在较低的软钎焊温度下也具有良好润湿性的新型钎料。现有报道过的用于铝基复合材料的软钎料有：Zn基和Sn基。哈尔滨工业大学闫久春(参考文献5)等人选用Zn-Al钎料片，其成分为89.3％Zn-4.2％Al-3.22％Cu(质量分数)焊接SiC颗粒体积分数为55％的SiCp/A356复合材料。该系钎料采用电炉加热钎焊方法，在大气环境下，向焊件施加超声波振动，超声波振动频率为20kHz，超声振幅为20μm，可以获得强度155.6MPa，接近母材强度的接头。虽然该系钎料具有熔点低(383℃～399℃)、钎焊温度低(420℃)的优点，但Zn基钎料去膜能力差，需施加超声振动改善润湿性。另有文献(参考文献6)报道，该系钎料Zn-7Al被用于激光钎焊体积分数为55％的SiC颗粒增强铝基复合材料。激光功率为288.0W(具体参数设置为：激光单个脉冲能量15J，离焦量为+5mm，激光诱导钎焊速度为1.5mm/min)，接头最大抗拉剪强度为17MPa。UrenaA(参考文献7)等人采用该系钎料Zl-3Al，使用高温软钎焊焊接低体积分数(增强相体积分数小于13％)铝基复合材料(SiCp/AA2014)，焊接温度450℃，钎焊过程需要氯化物水溶液(hygriscopicchlorides)钎剂去除基体材料表面氧化膜以达到金属-金属间接触并防止钎料在熔化过程中氧化。而对于高体积分数铝基复合材料，Zl-3Al软钎焊会出现弱化接头性能的缺陷。关于铝基复合材料用Sn软钎料，德国S.Weis(参考文献8)等人报道了用高能球磨法制备的SiC颗粒或Al2O3颗粒增强(体积分数为35％)的Sn基软钎料焊接铝基复合材料(25vol.％Al2O3p/6061)，其软钎料基体成分为96.5％Sn-3.5％Ag或97％Sn-3％Cu。实验虽未用钎剂，但需加热并施加超声振动，剪切强度实验在20℃～150℃条件下进行，结果表明在50℃时进行剪切，可获得32MPa的最高强度。虽然该系钎料熔点更低(230℃)、钎焊温度250℃～280℃，但需超声辅助改善润湿性。另一方面虽然铝基硬钎料报道比较多，但是铝基软钎料鲜有报道。而电子封装领域需要钎焊温度低、焊接时间(尤其是界面润湿所需孕育时间)短、焊接压力低、无需附加机械振动等辅助措施的软钎料。参考文献[1]ZwebenC.Metal-MatrixcompositesforelectronicpackagingJOM,1992,44(7):15[2]ZwebenC.AdvancedincompositematerialsforthermalmanagementinelectronicpackagingJOM,1995,50(6):47[3]LloydDJ.Particlereinforcedaluminumandmagnesiummatrixcomposites[J].InternationalMaterialsReviews,1994,39(1):1-23[4]BugeauJL,etal.Aluminumsiliconcarbideforhighperformancemicrowavepackage.ProceedingsofIEEEMTT-SInternationalmicrowavesymposium,1995[5]张洋,闫久春.高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的超声波钎焊[J].焊接,2008(8):29-31.[6]郭广磊.高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光钎接工艺研究[D].华侨大学,2014.[7]UrenaA,GilL,EscricheE,etal.HightemperaturesolderingofSiCparticulatealuminiummatrixcomposites(series2000)usingZn–Alfilleralloys[J].Science&TechnologyofWelding&Joining,2001,6(1):1-11.[8]WeisS,HoyerI,WielageB.JoiningofHigh-StrengthAluminum-BasedMaterialswithTin-BasedSolders[J].WeldingJournal,2008,87(3):35-37.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料及其制备方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料，该Al-Mg-Ga系活性软钎料按质量分数由48～70％的Al、20～32％的Mg以及10～20％的Ga组成。所述Al-Mg-Ga系活性软钎料为Al-24Mg-16Ga，按质量分数由60％的Al、24％的Mg以及16％的Ga组成。所述Al-24Mg-16Ga的熔化区间为404～409℃。所述Al-Mg-Ga系活性软钎料的钎焊温度为≤500℃。上高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料的制备方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高体积分数铝基复合材料用Al‑Mg‑Ga系活性软钎料，其特征在于：该Al‑Mg‑Ga系活性软钎料按质量分数由48～70％的Al、20～32％的Mg以及10～20％的Ga组成。

【技术特征摘要】
1.一种高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料，其特征在于：该Al-Mg-Ga系活性软钎料按质量分数由48～70％的Al、20～32％的Mg以及10～20％的Ga组成。2.根据权利要求1所述高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料，其特征在于：所述Al-Mg-Ga系活性软钎料为Al-24Mg-16Ga，按质量分数由60％的Al、24％的Mg以及16％的Ga组成。3.根据权利要求2所述高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料，其特征在于：所述Al-24Mg-16Ga的熔化区间为404～409℃。4.根据权利要求1或2所述高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料，其特征在于：所述Al-Mg-Ga系活性软钎料的钎焊温度为≤500℃。5.一种如权利要求1所述高体积分数铝基复合材料用Al-Mg-Ga系活性软钎料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)对纯Al铸锭、纯Mg铸锭以及纯Ga进行表面处理；2)经过步骤1)后，在惰性气体保护下，将纯Al铸锭、纯Mg铸锭以及纯Ga进行熔炼，得到熔炼块；3)将所述熔炼块利用急冷甩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，蔡杰，徐婷婷，陈碧强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61