高體積分數鋁基復合材料Zn基釬料釬焊接頭組織與性能*

陳碧強,張貴鋒,王士元

(西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室 焊接研究所,西安710049)

摘 要:為了拓展高體積分數(70%)SiC 顆粒增強鋁基復合材料在電子封裝領域的應用,從冶金思路出發,通過添加降熔元素Mg 和Ga 以改善釬縫/母材界面致密潤濕,用3 種Zn 基中溫軟釬料在相同工藝參數(釬焊溫度480 ℃,壓力0.5 MPa,保溫30 min)下釬焊鋁基復合材料,重點分析了Mg、Ga 元素的添加對釬焊接頭組織、力學性能及潤濕性的影響。Zn 可深度擴散入基體內,改善基體/釬料(M/M)界面潤濕性。力學性能試驗結果表明:采用Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 釬料(熔化范圍418~441 ℃)獲得了平均剪切強度為16.6 MPa 的釬焊接頭,均高于其他兩種材料;采用優化后的1 MPa 壓力時,Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 釬料接頭剪切強度可達30 MPa。斷裂表面和斷裂路徑分析表明,P/M(顆粒/金屬釬料)界面是薄弱環節,同時釬縫中生成的塊狀Mg2Si 相(含少量Al,約6%)也對接頭的力學性能不利。3 種含Mg 量不同的釬料釬焊結果表明,Zn 基釬料中Mg 含量對M/M 界面影響無顯著差異,但對P/M 界面潤濕性與釬縫析出相(Mg2Si)有顯著影響,這為優化Mg 含量與釬焊規范(調控基體溶解與消除釬縫脆性)指明了方向。

關鍵詞:釬焊;鋁基復合材料;潤濕性;剪切強度

1 概 述

顆粒增強的金屬基復合材料具有良好的物理性能和較低的成本,其制備難度小,制備方法靈活多樣,可以通過控制增強相和基體的體積分數比例來調節其熱性能,如熱導率和熱膨脹系數,并可采用傳統的冶金工藝設備進行二次加工,制備復雜的成型零件[1-5]。同時,其易于實現批量生產的優勢,在航空航天領域和電子封裝領域的應用受到了普遍關注。高體積分數SiC 顆粒增強鋁基復合材料因其高的導熱率、與芯片或者基板之間良好的熱膨脹系數匹配性、質量輕、高剛度等優勢被應用于電子封裝領域,增強相體積分數高達70%的鋁基復合材料[6-7],其線膨脹系為(6.9~9.7)×10-6/℃,熱導率可 達到 120 ~170 W/(m·℃),密 度 范圍 為2.9~3 g/cm3

截止目前,國內外的焊接工作者已經采用不同的焊接方法(熔焊、擴散焊、釬焊、攪拌摩擦焊等)來實現鋁基復合材料的連接。Iseki[8]等研究了在弧焊過程中SiC 與鋁合金基體發生界面反應的情況。研究結果表明,SiC 很容易在熔池中與Al 發生界面反應,生成脆性的A14C3 相,反應式為 SiC(s)+Al(l)→A14C3(s)+Si(s)。Klehn[9]等采用Cu 和Ag 作為中間夾層,研究了鋁基復合材料的瞬時液相擴散焊性能,結果表明,接頭強度可達到母材,但發現陶瓷增強相在接頭區域聚集。擴散焊可以實現對低體積分數增強鋁基復合材料的有效焊接,并且獲得較高的焊接強度。但是擴散焊的主要缺點是工件的形狀和尺寸嚴重受限,并且大都需要在真空狀態下焊接。陳華斌[10]等對SiC 顆粒增強鋁基復合材料的攪拌摩擦焊進行了研究,發現鋁合金基體材料的晶粒明顯細化,材料的性能亦有所改善。Huseyin Uzun[11]等對AA2124/SiC/25P 復合材料的攪拌摩擦焊進行了研究,結果表明,在攪拌頭區,復合材料中一些尺寸較大的SiC 顆粒在攪拌頭的作用下開裂,并在SiC 顆粒和鋁合金的界面上產生了微孔,這些現象均對接頭強度的提高不利。可見,鋁基復合材料對熔焊與摩擦焊的可焊性較差。

高陶瓷體積分數強化鋁基復合材料釬焊的難點在于界面潤濕性差、釬縫的脆化或軟化[12]。早期利用釬劑改善潤濕性,后期報道了若干種改善潤濕性的方法。早期Urena[13]等采用氯化物混合物(mixture of hygroscopic chlorides)作釬劑,研究了 Zn-3Al(熔點 367~435 ℃)、Zn-4.73Al-0.62Cu(熔點 360~430 ℃)、Zn-3.9Al-0.89Cu(熔點 380~427 ℃)三種軟釬料在 SiCp/2014 表面的潤濕性,因熔點更低的后兩者有明顯的晶界滲透,故推薦用前者。牛濟泰課題組的王鵬[14]等提出刷涂 Cu 層(copper brush coating)改善潤濕性后采用Al-Cu-Mg-Sn 釬料真空釬焊,在釬焊溫度580 ℃、保溫30 min 條件下獲得了高強接頭。閆久春課題組的張洋[15]在采用0.3 mm 厚Zn-4.20Al-3.22Cu 釬料(熔化范圍 383~399 ℃)的釬焊55% SiCp/A356 復合材料過程中施加超聲振動加寬母材溶解,改善潤濕性。張貴鋒[16-17]等提出原位強化活性液相擴散焊思路(In-situ Active TLP bonding),在釬焊溫度 500 ℃、保溫時間30 min、壓力1.5 MPa 氬氣保護條件下用Al-Mg-Ga-Ti 活性釬料獲得了高強接頭,剪切測試中主要斷裂于復合材料內部(120 MPa),其特點在于焊前、焊中無需任何其他額外工序或設施。主要通過添加多重活性元素改善潤濕性,通過添加升熔元素Ti 在等溫凝固過程中以金屬間化合物(Al3Ti)形式分散析出,充當釬縫的原位強化相。

本研究以擴展高體積分數(70%)SiC 顆粒增強鋁基復合材料在電子封裝領域的應用為背景,為改善高體積分數鋁基復合材料釬焊時M/M及P/M 界面難潤濕的問題,主要從冶金思路出發,通過添加降熔元素Mg 和Ga 制備新型含Mg“Zn 基中溫軟釬料”,研究了成分設計及工藝參數對接頭組織與性能的影響,重點分析了Mg、Ga 元素的添加對界面潤濕性以及釬縫組織、性能、斷裂路徑的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗母材為西安明科微電子材料有限公司采用真空無壓浸滲方法制備的高體積分數SiC 顆粒增強鋁基復合材料(70% SiCp/ZL101),其剪切強度平均值為120 MPa,微觀組織如圖1 所示。

圖1 試驗材料微觀組織照片

2.2 試驗方法

2.2.1 釬焊試驗

試驗所用復合材料為7.5 mm×7.5 mm×3 mm(上)和 15 mm×15 mm×3 mm(下)兩種規格的母材。釬焊試驗前,需對母材表面進行預處理:先用金剛石磨盤(240#和600#)粗磨,再用水砂紙(800#)細磨,使復合材料表面平整且無污染和雜物,最后在乙醇中進行10 min 超聲清洗,用流動熱空氣吹干備用。釬焊溫度為480 ℃,外加壓力0.5 MPa;釬焊試驗在氬氣保護下進行,氬氣流量5 L/min。試驗所用預置釬料層為Zn-5Al、Zn-5Al-4Mg 及 Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti,熔程分別為 385.6~390 ℃、345~357 ℃和 418~441 ℃;尺寸約為 5 mm×5 mm,厚度約為 100~150 μm,其宏觀照片及 DSC 曲線如圖2 所示。釬焊試驗裝置如圖3 所示。

圖2 3 種Zn 基中溫軟釬料箔帶的DSC 曲線和宏觀照片

圖3 釬焊裝置示意圖

2.2.2 力學性能試驗

釬接接頭的力學性能是通過剪切強度的測試來評價。剪切強度加載裝置為萬能拉伸試驗機(型號為 CSS-88100),加載速率為 0.5 mm/min,直到試樣斷裂為止。每組工藝參數取3 個樣品平均值以驗證其可重復性。剪切強度評價可參考GB/T 35005—2018 《集成電路倒裝焊試驗方法》中對倒裝芯片剪切強度的要求:當黏接面積大于4.13 mm2 時,焊點接頭應最小承受25 N 的力或其倍數,即剪切強度≥6.05 MPa。

3 試驗結果及分析

3.1 Zn基釬料層釬焊70% SiCp/ZL101接頭的微觀組織分析

圖4 采用不同Zn 基釬料層釬焊復合材料后釬焊接頭背散射顯微組織

圖4 為采用不同釬料釬焊復合材料后釬焊接頭顯微組織照片。由圖 4(a)可以看出,每種釬焊接頭均可以劃分為4 個區域,即復合材料母材、Zn 擴散和滲透影響區、M/M 和 P/M 界面、釬縫區。從圖4 可以觀察到Zn 基釬料未被擠出,且Zn 可明顯擴散入基體內,深度達 100~200 μm,可改善基體/釬料(M/M)界面潤濕性。當采用相同的外加壓力時(0.5 MPa),3 種釬料釬焊后的釬焊接頭最明顯的區別是:Zn 元素擴散和滲透進入復合材料母材基體鋁合金的深度不同。對于Zn-5Al 預置釬料層來說,釬縫金屬微觀組織主要由 Zn-Al 共晶相組成,共晶相的化學成分為 76.4% Zn、19.2% Al 和 30.1% O。而對于 Zn-5Al-4Mg 和 Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 預 置 釬 料層,接頭釬縫金屬微觀組織是由3 種混合相組成的鋁基組織:初生 α 鋁(灰色)、富 Zn 相(白色)和 Zn-Al 共晶相。其中,α 相是鋁基固溶體,平均成分(原子百分數)是78%Al、13.7%Zn、2.5%Si 和 5.8%O;富 Zn 相平均成分為 86.7%Zn、4.5%Mg、2.4%Al 和 6.4%O。

釬料中Mg 和Ga 元素的添加,使得釬焊后釬焊接頭中釬縫金屬成分發生巨大變化,由Zn 基合金演變為以鋁基合金為主的組織,這個原因主要可以歸納為3 種機制:①Zn 的揮發消耗;②釬料中Zn 元素擴散與滲透進入母材基體;③一部分擴散來自復合材料母材基體的Al。其中在等溫凝固階段,Zn 的擴散與滲透使得進入熔池的Al 含量增加,即Al 含量增加和Zn 含量減少。對比3 種Mg含量不同的釬料 Zn-5Al、Zn-5Al-4Mg 和 Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 釬焊后的微觀組織,在釬縫和界面處觀察到了塊狀的富Mg-Si 相,這也是接頭的一個薄弱界面。此現象也說明在釬焊高體積分數鋁基復合材料時,釬料成分中活性元素Mg 的添加須控制在合適的含量。另外,圖 4(f)中,由于液態釬料和復合材料鋁基體強烈的相互擴散,在界面/近界面處觀察到了SiC 顆粒偏聚。

3.2 Zn基釬料層釬焊70% SiCp/ZL101接頭的力學性能

圖5 采用3 種不同釬料釬焊接頭的剪切強度對比

圖5 為采用3 種不同預置釬料層Zn-5Al、Zn-5Al-4Mg 及 Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 在 0.5 MPa 釬焊壓力下所得焊接接頭剪切強度曲線。由圖5 可以看出,剪切強度數據分散性小,重復性較高,可信度良好。對于相同工藝參數及釬焊相同的復合材料,Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 的剪切強度最高,可達16.6 MPa,釬焊接頭剪切強度平均值高于Zn-5Al(9.7 MPa)和 Zn-5Al-4Mg(10.5 MPa)。后期筆者研究了相同釬焊溫度(480 ℃)、不同外加壓力(0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa 和 1.25 MPa)條件下,采用釬料Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 釬焊此類復合材料,獲得的釬焊接頭的剪切強度最高可達30 MPa, 優化的外加壓力參數為1 MPa。目前對于高體積分數鋁基復合材料及高溫電子封裝器件的基板連接所用的無鉛釬料均在試驗研究中,尚無統一的檢驗標準。參考 GB/T 35005—2018 《集成電路倒裝焊試驗方法》 中對倒裝芯片剪切強度的要求:當黏接面積大于4.13 mm2 時,焊點接頭應最小承受 25 N 的力或其倍數,即≥6.05 MPa。所以,單就剪切強度指標而言,此3 種接頭剪切強度已達標。由圖 5 也可以發現:釬料成分中 Mg、Ga 元素的添加,有利于釬焊接頭剪切強度的提升。結合微觀組織可以發現 Mg、Ga 元素的添加對于Zn、Al 元素的相互擴散有促進作用;同時 Mg、Ga 元素的添加對于接頭致密性和固溶體化有很大程度改善。但是富Mg-Si 相的生成對接頭剪切強度有害,因為這樣會增加新的界面,使接頭潤濕性下降,所以接頭強度降低。

圖6 為采用釬料層 Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 在0.5 MPa 釬焊壓力下所得釬焊接頭的斷裂表面和斷裂路徑,其斷裂方式為脆性斷裂。由圖6(a)~圖6(c)可以觀察到光滑裸露的SiC 顆粒和塊狀的富Mg-Si 相,其平均成分為58.5% Mg、29.3%Si、5.9%Al、4.5%O 和 1.7%Zn(推測為 Mg2Si,其中 Si 來自于被溶解的基體)。由圖6(d)可以看到,裂紋的起始點為顆粒與釬縫金屬形成的界面(P/M),然后向復合材料基體與釬縫金屬界面(M/M)擴展。

圖6 SiCp/A356 釬焊接頭斷裂表面和斷裂路徑

4 結 論

(1)3 種Zn 基釬料釬焊接頭微觀組織表明,Zn 基釬料未被擠出,且Zn 可明顯擴散入基體內,深度達 100~200 μm,可改善基體/釬料(M/M)界面潤濕性;Mg、Ga 元素的添加對于釬縫組織和界面致密性有促進作用,釬縫組織中鋁基固溶體為主要相,有利于釬縫的固溶體化。

(2)添加 Mg、Ga 元素,釬縫中生成了塊狀的 Mg2Si 相(含少量 Al,小于 6%),不利于接頭性能。3 種含Mg 量不同的釬料釬焊結果表明,Zn基釬料中Mg 含量對M/M 界面潤濕性影響無顯著差異,但對P/M 界面潤濕性與釬縫析出相(Mg2Si)有顯著影響,這為優化Mg 含量與優選釬焊規范(調控基體溶解與消除釬縫脆性)指明了方向。

(3)3 種Zn 基釬料釬焊接頭在相同的工藝參數下,Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 剪切強度可達到 16.6 MPa,高于 Zn-5Al 和 Zn-5Al-4Mg。釬焊接頭的斷裂方式為脆性斷裂,斷裂裂紋起始于P/M 界面,表明P/M 界面是釬焊接頭的薄弱點。Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti 多元活性釬料采用優化后的1 MPa 壓力時,接頭剪切強度可達30 MPa。

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Microstructure and Property of Aluminium Matrix Composites Joint with High Volume Fraction Using Zn-based Brazing Filler Metal

CHEN Biqiang, ZHANG Guifeng, WANG Shiyuan
(Institute of Welding, State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’ an Jiaotong University,Xi’an 710049, China)

Abstract: In order to expand the application of SiC particle-reinforced aluminum matrix composites with the high volume fraction(70%) in the filed of electronic packaging, from the metallurgy aspect, through adding Mg and Ga as the melting point depressant to improve the compactness and wettability of brazing weld/base metal interface, three kinds of Zn-based medium-temperature solder were used to braze aluminum matrix composites under the same technological parameters of brazing temperature 480 ℃, pressure 0.5 MPa and heat preservation 30 min.The influence of Mg and Ga on the joint microstructure, mechanical strength and wettability were investigated.Zn can be deeply diffused into the matrix to improve wettability of the base metal/filler metal(M/M) interface.The results of the mechanical performance test results showed that the brazing joints with an average shear strength of 16.6 MPa were obtained with the Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti brazing alloy(melting range: 418~441℃), which were higher than the other two materials.The shear strength of Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti brazing joint can reach 30 MPa with the optimized pressure of 1 MPa.The fracture surface and path analysis showed that the particle/filler metal(P/M) interface was the weak link, and the massive Mg2Si phase, which containing about 6% Al, generated in brazing joint was also unfavorable to the mechanical properties of the joint.The brazing results of the three brazing alloys with different Mg content showed that there was no significant difference in the influence of Mg content in Zn-based brazing alloys on the M/M interface, but it had significant influence on the wettability of P/M interface and the precipitation phase Mg2Si of brazing joints,which showed the direction of optimizing Mg content and brazing specifications(regulating matrix dissolution and eliminating the brittleness of brazing joints).

Key words: brazing; aluminium matrix composites; wettability; shear strength

中圖分類號:TG407

文獻標識碼:A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.004

*基金項目:國家自然科學基金“可實現釬縫原位強化的高體積分數鋁基復合材料活性液相擴散焊中間層設計及釬縫內原位生成強化相的表征與控制”(項目編號5125390)。

作者簡介:陳碧強(1987—),男,博士研究生,主要從事先進復合材料焊接技術研究。

收稿日期:2019-01-22

修改稿收稿日期:2019-03-18

編輯:李 超

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