活性耐腐蚀SnZn基钎料及其低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法，属于陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊技术领域。本发明专利技术解决了现有陶瓷和/或陶瓷基复合材料连接技术只能在高温下钎焊，冷却过程中形成的残余热应力造成焊缝开裂的问题。活性耐腐蚀SnZn基钎料由Sn、Zn、Al、Ag和混合稀土(RE)组成，制备方法：将马弗炉加热并向其中充Ar气，加热将坩埚中的Ag熔化，相继加入Zn、Al、Sn和混合稀土，保温30min。钎焊方法：施加压力，将超声工具头直接压在卡具中的待焊件上，大气环境下，加热到270～300℃，施加超声波钎焊。本发明专利技术用于超声钎焊连接陶瓷、蓝宝石、硅片、玻璃、铝合金、镁合金及含陶瓷颗粒的复合材料等，如含陶瓷颗粒的铝合金、镁合金和钛合金。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊
，具体涉及一种活性耐腐蚀 SnZn基钎料及其制备方法，以及低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝合金、镁合金的方 法。
技术介绍
随着RoHS指令禁止在电子产品中使用对环境有害的铅元素，SnZn基钎料由于其较 低的熔点，作为一种无铅钎料，在电子产业中受到关注，具有潜在的应用前景。 SnZn的共晶温度为198.5°C，要比SnAgCu的共晶温度217°C低将近20°C。因此，SnZn 基无铅钎料在电子产业中应该作为无铅钎料的首选。但是，由于Zn具有较强的活性并且在 钎料表面生成的ZnO是一种多孔结构，因此，SnZn基钎料极易腐蚀并且多孔的ZnO不能很好 地保护钎料基体。故而，SnZn基钎料的抗腐蚀性能和抗氧化性能有待进一步的提高。 陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化性等优点。可以用作结构材料、刀具材 料。同时，陶瓷还因其特殊的性质被用作功能材料。蓝宝石是陶瓷中最常用的一种。 蓝宝石具有良好的力学性能和光学性能。被应用于很多民用高科技领域当中，例 如医疗器械、激光设备和高真空设备中。蓝宝石的焊接来源于两个需求:一方面是蓝宝石与 金属之间可靠的密封连接；另一方面是将小尺寸的蓝宝石焊接成大尺寸窗口。目前广泛使 用的蓝宝石焊接方法有胶接法、反应烧结法和活性反应钎焊法。通过胶接法连接蓝宝石，接 头中的高分子抗老化性能较差。反应烧结法得到的焊缝中存在大量孔隙缺陷，成为焊缝断 裂过程中的裂缝源。钎焊是实现陶瓷材料连接最常用的方法，目前广泛应用的钎焊蓝宝石 的活性钎料主要是Ag-Cu-Ti钎料。通过活性元素 Ti与蓝宝石界面处活化反应形成界面连 接。整个焊接过程需要850°C高温及真空环境才能实现连接。由于焊缝中钎料的热膨胀系数 远远大于蓝宝石的热膨胀系数，从高温(850°C)冷却到室温的过程中，焊接接头留有很大的 残余应力，成为接头开裂的主要原因。 本专利采用活性耐腐蚀SnZn基钎料低温超声钎焊蓝宝石，通过在SnZn基钎料中加 入活性元素 Al，以提高钎料的活性，并且施加超声进一步的激活，成功实现了低温超声钎焊 蓝宝石。同时，在SnZn基钎料中加入抗腐蚀性的Ag元素，使得钎料的抗腐蚀性能大大的提 尚。
技术实现思路
本专利技术解决应用现有活性钎料钎焊蓝宝石只能在高温(850°C)下钎焊，并且难于 形成有效连接、冷却过程中由于残余热应力而造成焊缝开裂的问题；而提供了超声低温 SnZn基钎料及其超声钎焊蓝宝石方法。 为解决上述技术问题，本专利技术的活性耐腐蚀SnZn基钎料化学组成以质量百分比计 为：1.0~10·0%Ζη，0·25 ~2.5%Ag，0.01 ~1·0%Α1，0·01 ~0.05% 混合稀土，余量为Sn;所 述混合稀土按重量百分比是由40 %~60 % Ce、10%~30% La、10~15% Nd和余量为Pr组成。 其制备方法是按下述步骤进行的:将Ag放入到坩埚中，将马弗炉加热到1000°C，并向其中充 Ar气，将坩埚放入到马弗炉中，保温直到Ag完全融化，相继加入Al、Zn、Sn以及混合稀土RE， 然后保温20~60分钟;冷却后得到活性耐腐蚀SnZn基钎料。 活性耐腐蚀SnZn基钎料低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法是按 下述步骤进行的： 步骤一、取两块陶瓷或者一块陶瓷和一块陶瓷基复合材料或者两块陶瓷基复合材 料或者铝、镁合金作为待焊接件，置于丙酮中超声清洗；步骤二、将权利要求1所述的活性耐腐蚀SnZn基钎料压片，片的厚度为0.3~ 0.5mm，剪裁成与待焊接件相对应的尺寸，得到钎料片；步骤三、将步骤二中钎料片夹在步骤一处理后待焊接件的待焊面之间得到待焊 件，然后将待焊件放入卡具中卡紧； 步骤四、施加0.2~IMpa的压力，将超声工具头直接压在步骤三卡具中的待焊件 上，大气环境下，加热到270~300°C，施加振幅为5μπι的超声波进行超声辅助钎焊50~ 1000 s0 本专利技术采用以Al元素作为活性元素、Ag为耐腐蚀性元素的SnZn基钎料，实现了在 较低的温度下（270~300°C)超声钎焊连接陶瓷、蓝宝石及含陶瓷基复合材料如含有陶瓷颗 粒的铝合金、镁合金、钛合金等，以及玻璃、硅片，铝合金、镁合金等。本专利技术避免了接头的开 裂，实现了陶瓷和/或陶瓷基复合材料的有效连接，特别是蓝宝石的焊接。 相比现有技术本专利技术的优点在于： l、SnZn基钎料不仅仅用于电子产业中的Cu焊盘互连的传统应用当中，而且被开发 出来，作为低温超声钎料应用于陶瓷和/或陶瓷基复合材料的超声钎焊当中。 2、Zn元素的活性较强，与陶瓷具有较好的亲和力，Zn元素的加入使得焊缝强度有 车父大的提尚。 3、本专利技术以Al为钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的活性元素，通过Al向钎料与陶 瓷和/或陶瓷基复合材料界面扩散反应生成Al 2O3纳米颗粒过渡层，而该Al2O3纳米颗粒过渡 层实现了钎料与陶瓷和/或陶瓷基复合材料基底的有效连接。 4、元素 Al具有较高的活性，Al的加入可以在钎料熔炼的过程中在熔体的表面偏 聚，形成的Al2O3氧化膜具有很高的致密性，防止了合金基体的进一步氧化。同时，钎料中Al 的含量仅为微量，以防止Al含量较多生成较厚的Al2O3氧化膜，降低钎料与陶瓷基体的润湿 性。 5、Ag元素的加入提高了钎料合金的塑性、增加了抗腐蚀性能。当Ag的含量达到 1.5 %时，钎料的延伸率从30%提升到60 % 元素的加入使得钎料在较湿及腐蚀环境下的 抗腐蚀能力有所提尚。 6、由于钎料片的尺寸较薄，超声作用于窄间隙时，超声损耗较小，使得超声作用得 到增强。在SnZn基钎料与陶瓷或陶瓷基复合材料的界面生成的Al2O3纳米颗粒层的厚度得到 增强，从而使焊缝的强度得到显著的提高。 7、本专利技术中，通过SnZn基钎料片及超声辅助钎焊，实现了低温下（270°C)蓝宝石的 连接。而现有活性钎料钎(Ag-Cu-Ti钎料)焊蓝宝石的温度(850°C)，由于蓝宝石和钎料的热 膨胀系数不匹配，导致在较大的冷却温差下，焊缝中残余应力累积，从而使得焊缝开裂。 8、现有活性钎料(Ag-Cu-Ti钎料)钎焊蓝宝石需要在真空炉中进行，对焊接环境的 要求比较苛刻。而本专利技术的活性耐腐蚀SnZn基钎料在大气环境中就能在超声辅助下钎焊蓝 宝石，并且实现有效连接。 9、Ti的价格昂贵，而Al的价格比较低廉，以Al作为活性元素的钎料可以使生产成 本有所降低。 10、混合稀土 RE的加入可以显著提高活性元素 Al在陶瓷及陶瓷基复合材料中陶瓷 表面的润湿，促进反应连接；同时混合稀土RE的加入可以细化SnZn基钎料的组织，增加焊缝 的强度。 11、高强铝合金在高温下焊接会对母材产生不利影响，降低了母材强度。而采用本 专利技术的活性耐腐蚀SnZn基钎料能在低温下焊接铝合金，从而避免了铝合金母材强度的降 低。【附图说明】图1为超声辅助钎焊蓝宝石示意图；图2为活性耐腐蚀Sn9ZnlAg0.5Al钎料合金DSC 曲线；图3为制备的活性耐腐蚀SnZn基钎料合金的SEM图像；图4为相同方法制备的Sn9Zn钎 料合金的SEM图像；图5为超声钎焊后接头组织形貌SEM图像；图6为活性耐腐蚀 Sn9ZnlA10.5Ag钎料合金的极化曲线；图7为Sn本文档来自技高网...
【技术保护点】
活性耐腐蚀SnZn基钎料，其特征在于活性耐腐蚀SnZn基钎料的化学组成以重量百分比计为：1.0～10.0％Zn，0.25～2.5％Ag，0.01～1.0％Al，0.01～0.05％混合稀土，余量为Sn；所述混合稀土按重量百分比是由40％～60％Ce、10％～30％La、10～15％Nd和余量为Pr组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓光，徐，郭卫兵，闫久春，于汉臣，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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