PDF《溅射 Al 对AlN 的``润湿'' 与钎焊》

溅射Al对AlN的``润湿'

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与钎焊 赵博文 尚海龙 陈凡 石恺成 李荣斌 李戈扬 ``Wetting'

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and brazing of AlN by sputtered Al Zhao Bo-Wen Shang Hai-Long Chen Fan Shi Kai-Cheng Li Rong-Bin Li Ge-Yang 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 65,

086801 (2016) DOI: 10.

7498/aps.65.086801 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.086801 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2016/V65/I8 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析 Analyses of droplet spreading and the movement of wetting line on a solid surface 物理学报.2016, 65(1):

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216801 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.216801 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

8 (2016)

086801 溅射Al对AlN的 润湿 与钎焊? 赵博文1) 尚海龙1)2) 陈凡1) 石恺成1) 李荣斌2) 李戈扬1)? 1)(上海交通大学, 金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200240) 2)(上海电机学院, 上海 201306) (

2015 年11 月3日收到;

2016 年1月28 日收到修改稿 ) 由于润湿性不佳, 难以实现金属钎料对陶瓷的无过渡层直接钎焊, 本文在研究了溅射 Al 薄膜对 AlN 的 润湿 作用的基础上, 通过磁控溅射的方法在 AlN 表面沉积 Al 基薄膜作为钎料, 在真空条件下对 AlN 陶瓷 进行了直接钎焊. 采用高景深光学显微镜、 扫描电子显微镜和 X 射线能量分散谱表征了钎焊接头和剪切断 口的组织及形貌. 结果表明, 高能量溅射 Al 粒子对 AlN 的撞击可以形成只有

850 ? C 以上高温才可获得的 Al―N 化学键, 实现 Al 对AlN 的 润湿 , 使Al 基薄膜钎料能够在较低的温度 (

510 ? C) 对AlN 直接钎焊. 此方法获得的 Al/AlN 接头的剪切强度达到

104 MPa, 含3.8 at.% Cu 的Al 合金钎料接头强度可进一步提高 到165 MPa, 它们的剪切断裂都产生于钎缝金属之中;

增加钎料中的 Cu 含量至 9.1 at.% 后, Cu 在钎缝与陶瓷 界面的偏聚使接头的剪切强度降低为

95 MPa. Al-20 at.% Ge 合金可以将钎焊温度降低至

510 ? C, 但Ge 在 钎缝与陶瓷界面的偏聚使接头在

48 MPa 发生断裂. 关键词: 润湿, 溅射薄膜, AlN陶瓷, 钎焊 PACS: 68.08.Bc, 81.15.Cd, 68.08.Cp, 81.20.Vj DOI: 10.7498/aps.65.086801

1 引言作为一种基本的物理现象, 液体对固体的润湿 在工业中有广泛的应用, 通过熔融金属润湿固体材 料而实现冶金结合的钎焊就是重要的应用之一. 钎 焊理论认为润湿是钎焊的基础, 基体材料必须能被 作为钎料的金属熔液润湿才能实现钎焊连接. 在 陶瓷的钎焊中, 就必须解决金属熔液难以润湿陶瓷 的问题, 例如, 对于AlN, Al2O3 等重要的工程陶瓷, 目前主要采用在陶瓷表面烧结 [1,2] 或镀覆 [3,4] 能与 其反应的活性金属层的金属化方法, 或在钎料中加 入活性金属组分的活性钎料方法 [5?7] , 使陶瓷表面 形成可被金属熔液润湿的反应过渡层而实现钎焊 连接. 然而这些反应过渡层常会对钎焊接头的性能 产生不同程度的不利影响. 事实上, 迄今仍不能实 现对常用工程陶瓷的无化合物反应过渡层的直接 钎焊. AlN 陶瓷具有高于 Al2O3 近10 倍而接近金属 Al 的热导率及其与 Si, SiC, GaAs 等半导体材料相 匹配的热膨胀系数等诸多优异性能, 在现代工业和 高科技领域具有取代 Al2O3 而得到更多应用的广 阔前景. 在电子工业中, AlN 作为封装基片等应用 需要与金属如 Cu [8?11] , Al [12] , Mo 等[13] 进行连 接, 为了使钎料能够润湿 AlN, 目前只能采用具有 脆性反应过渡层的方式. 例如, 在直接覆铜法 [10,11] 中, AlN/Cu 界面形成的 CuAlO2 过渡层就会降低 陶瓷基板的导热能力, 而且所产生的内应力也影响 了基板的热疲劳性能 [14] . 避免反应过渡层最好的 方法是实现金属对 AlN 进行直接钎焊, 为此就要求 熔融金属钎料能够无过渡层地直接润湿AlN. Al 是钎焊 AlN 的理想钎料, 它们两者间不发 生化学反应, Al 优异的导电、 导热性可降低钎焊接 头的热阻, 良好的塑性也有益于接头内应力的减 ? 国家自然科学基金 (批准号: 51371118, 51401120) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: gyli@sjtu.edu.cn ?