一种适用于高硅铝合金钎焊的焊接接头的制作方法

1.本实用新型属于材料加工工程的焊接技术领域，具体涉及一种适用于高硅铝合金钎焊的焊接接头。


背景技术：

2.高硅铝合金具有密度低、膨胀系数低、热导率高、比强度和刚度较高，与金、银、铜、镍的镀覆性能好，与基材可焊等优点，在航空航天飞行器电子系统、卫星基站、移动通讯系统和交通运输等领域也愈来愈多使用高硅铝合金结构件作为封装壳体。因此，随之而来的高硅铝合金连接技术便成为非常重要的问题。
3.钎焊作为高硅铝合金连接技术中效果较好的一种重要连接方式，是采用比母材熔化温度低的钎料，焊接温度介于母材固相线和钎料液相线之间的一种焊接技术。由于高硅铝合金中含有硬质硅相，用普通的软钎焊难以实现较好的连接，金属钎料与si颗粒的润湿性较差，这使得焊接接头的连续性较差、气密性较低、强度较低，从而限制了高硅铝合金在电子封装领域的应用。而且硬质硅相的热膨胀系数较低，金属钎料热膨胀系数较高，金属钎料和高硅铝合金材料之间热膨胀系数差异较大，连接后的接头会存在较高的残余应力，降低接头强度；在封装外壳服役期间，多次的升温降温循环，还会引起热应力疲劳从而导致接头的失效。
4.因此，如何设计出使得钎料和高硅铝合金材料之间热膨胀系数匹配的焊接接头，从而提高钎焊接头质量，是目前该领域的研究目标之一。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型旨在提供一种适用于高硅铝合金钎焊的焊接接头，解决了金属钎料和高硅铝合金材料之间因为较大的热膨胀系数差异，接头存在的高残余应力导致的强度降低和热应力疲劳的问题。
6.为了达到上述的目的，本实用新型所采用的技术方案是：
7.一种适用于高硅铝合金钎焊的焊接接头，所述焊接接头包括从上至下依次设置的上层高硅铝合金母材、钎料复合焊缝层和下层高硅铝合金母材。
8.进一步的，上层高硅铝合金母材和/或下层高硅铝合金母材的内侧还依次设有镀镍层和镀铜层。
9.进一步的，所述焊接接头各层由搭接形式构成。
10.进一步的，所述钎料复合焊缝层为锡银铜层，所述锡银铜层内还分布有碳化硅颗粒。钎料复合焊缝层是将复合钎料与粘结剂混合制得，复合钎料中含有cu 粉、sn粉、ag粉和sic粉。粘结剂可以依据现有技术做适应性调整。
11.进一步的，所述上层高硅铝合金母材的厚度为0.5
‑
20mm。
12.进一步的，所述下层高硅铝合金母材的厚度为0.5
‑
20mm。
13.进一步的，所述钎料复合焊缝层的厚度为200
‑
400um。
14.进一步的，所述镀镍层的厚度为40
‑
80μm。
15.进一步的，所述镀铜层的厚度为20
‑
40μm。
16.本发明钎料复合焊缝层含有复合钎料，复合钎料包括金属相与增强相。金属相为占钎料金属部分体积分数73％
‑
84％的sn、10％
‑
17％的ag、6％
‑
11％的cu。增强相为sic颗粒，其与sn、ag、cu金属部分总体积比为1:19
‑
1:3。按复合钎料与粘结剂的体积比为1:1
‑
1:2称取粘结剂，并将复合钎料与粘结剂混合均匀。所述粘接剂可以依据现有技术做适应性调整和选择。涂敷在电镀ni及cu层后的高硅铝合金表面进行钎焊。该钎料的成分百分比数值由线膨胀系数的turner计算模型得到，该模型与实际线膨胀系数曲线拟合较好。
17.硅体积分数低于50％的高硅铝合金，如al
‑
27si、al
‑
40si、al
‑
50si，工作温度下其线膨胀系数在11
×
10
‑6/℃以上，与ni相近。适合高硅铝合金母材先镀镍再镀铜，使用钎剂去膜的感应钎焊。ni在cu和sn上的润湿性能良好，由于钎焊过程中ni层中ni元素向钎料的扩散，可以有效地抑制钎焊接头处的化合物 cu3sn，同时也会促进有益化合物(cu，ni)6sn的生长。
18.硅体积分数高于50％的高硅铝合金，如al
‑
60si、al
‑
70si，其工作温度下其线膨胀系数在11
×
10
‑6/℃以下，此时适合使用本复合钎料进行超声辅助去除氧化膜的感应钎焊，高硅铝合金母材无需镀镍和铜。在超声波的“空化”作用下，母材表面的氧化膜破碎，钎料在高硅铝合金表面的润湿。另外超声波的存在还促进母材中si元素向焊缝中的迁移，同时降低了钎缝的热膨胀系数。
19.本实用新型中sn元素作为钎料基体，其具有优良的塑性变形能力、导电能力；但当sn添加量较高时，钎料合金的润湿性能降低；所以对传统的 sn
‑
3ag
‑
0.5cu钎料进行改进，sn含量的降低有两个优点，第一是降低了焊缝的热膨胀系数，第二是提高了钎料对母材的润湿性能；
20.本实用新型的ag元素具有优良的塑性变形能力，尤其是对陶瓷基材料具有很好的润湿性，在传统的sn
‑
3ag
‑
0.5cu钎料基础上提高ag含量，可以在sic 增强相含量较高不利于润湿时仍然对母材具有较好的润湿性；
21.本实用新型的sic颗粒作为增强相，sic颗粒的加入第一可以提高钎焊接头剪切强度，第二可以借助其低膨胀性能降低钎缝的线膨胀系数，使其接近母材线膨胀性能。
22.本实用新型的有益效果：
23.本实用新型解决了高硅铝合金之间钎焊连接时金属钎料与si润湿性较差，以及钎料和高硅铝合金热膨胀系数不匹配引起的热应力疲劳问题，从而提高钎焊接头质量。
附图说明
24.图1为本实用新型的结构图；
25.图中：1
‑
上层高硅铝合金母材，2
‑
镀镍层，3
‑
镀铜层，4
‑
钎料复合焊缝层， 5
‑
下层高硅铝合金母材，6
‑
锡银铜层，7
‑
碳化硅颗粒。
具体实施方式
26.为了进一步说明本实用新型的技术效果，下面通过实施例对本实用新型进行具体描述。
27.实施例1
28.如图1所示，上层高硅铝合金母材1和下层高硅铝合金母材5，具有较低的线膨胀系数，一般在11
×
10
‑6/℃以内，上层高硅铝合金母材1和下层高硅铝合金母材5的厚度为0.5
‑
20mm。普通锡银铜钎料的线膨胀系数较高，约为23
×ꢀ
10
‑6/℃。在焊缝中的锡银铜层6中加入碳化硅颗粒7，可以根据加入比例来降低焊缝中的线膨胀系数，使之与高硅铝合金母材的线膨胀系数相匹配。电镀镀镍层 2、镀铜层3目的为促进钎料在母材上的润湿。
29.以硅体积分数占40％的高硅铝合金al
‑
40si钎焊为实施例。其工作温度下其线膨胀系数约为13
×
10
‑6/℃。对应的与其线膨胀系数约等的复合钎料成分：质量分数79％的sn、13％的ag、8％的cu制成sn
‑
ag
‑
cu钎料后，按照sn
‑
ag
‑
cu钎料与sic粉体积比为9:1制成。
30.步骤一：合成复合钎料。称取体积百分比8％的cu粉、79％的sn粉及13％ag 粉，以及与sn、ag、cu三种金属粉末总体积比例为9:1的sic粉，加入到球磨机中,以200转/分钟
‑
400转/分钟的速度球磨4h
‑
6h,得到复合钎料,球磨介质为直径6m的al2o3球，球料质量比为20:1。
31.步骤二：将复合钎料与粘结剂混合。按复合钎料与粘结剂的体积比为 1:0.5
‑
2称取经步骤一得到的复合钎料与粘结剂，并将复合钎料与粘结剂混合均匀。
32.步骤三：将上层高硅铝合金母材1和下层高硅铝合金母材5表面清理并镀镍。将上层高硅铝合金母材1和下层高硅铝合金母材5使用线切割成2mm
×
10mm
×ꢀ
50mm尺寸，并用粗砂纸打磨去除边角毛刺。将其放入超声波清洗仪，并使用乙醇清洗去除油脂等有机杂质。高硅铝合金含有大量的si元素，软钎料在其上的润湿性能较差，化学镀ni工艺成熟，又具有镀层致密、厚度均匀，故采用在基体上涂覆一层金属元素镍得到镀镍层2，以此改善其的钎焊性能。母材表面镀镍层2厚度为40
‑
80μm，用1200#细砂纸将试样表面磨光并使其平整，然后再用酒精溶液清洗，取出干燥。
33.步骤四：镀镍的母材表面再镀铜制得镀铜层3。母材表面镀铜层3厚度为 20
‑
40μm，用800#、1200#细砂纸将试样表面磨光并使其平整，然后用酒精溶液清洗，取出干燥。
34.步骤五：采用了搭接形式的接头设计，搭接长度15mm，搭接面积为225mm2。将混合均匀的复合钎料与粘结剂，后涂覆在经步骤三、四处理的上层高硅铝合金母材1和下层高硅铝合金母材5待焊接面上，涂覆层的厚度为200um
‑
400um，制得钎料复合焊缝层4。
35.步骤六：如图1所示，按照镀镍层2和镀铜层3后的上层高硅铝合金母材1、钎料复合焊缝层4和镀镍层2和镀铜层3后的下层高硅铝合金母材5的顺序放置于夹具之中，夹具放置于感应加热装置，采用松香基的有机软钎剂。然后升温至 240℃,保温1
‑
2min后,空气冷却，取出钎焊件，从而得到了上述的一种适用于高硅铝合金钎焊的热膨胀系数匹配的焊接接头。
36.最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的保护范围当中。