釬焊異組分W-Cu合金的釬料及制備方法和釬焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及釬焊異組分W-Cu合金的釬料及制備方法和釬焊方法，屬于異質(zhì)材料焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]W-Cu合金綜合了鎢和銅的優(yōu)異性能，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，在大功率器件中常作為一種熱沉材料。但隨著微波半導(dǎo)體器件不斷小型化、高度集成、高功率的發(fā)展而導(dǎo)致的高發(fā)熱率，現(xiàn)有的均質(zhì)W-Cu合金很難滿足電子基板散熱性能方面的要求。如果將兩種所需不同成分的W-Cu合金連接起來，則可以很好地解決這一問題。釬焊這種固液相連接方法是連接異種材料的首選方法之一。兩種不同成分W-Cu合金的連接可以通過調(diào)整鎢銅含量將鎢銅復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)更好的發(fā)揮出來，可以使W-Cu合金應(yīng)用于多種復(fù)雜環(huán)境，使其具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱、低的相匹配熱膨脹系數(shù)、高的強(qiáng)度等一系列優(yōu)異的綜合性能，因此探索兩種不同成分W-Cu合金的連接方法不僅具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，而且有著良好的應(yīng)用前景。
[0003]對(duì)于兩塊異組分的W-Cu合金連接而言，尋找一種性能優(yōu)良和性價(jià)比高的填充材料，制定合理的焊接工藝是實(shí)現(xiàn)兩塊異組分W-Cu合金連接的關(guān)鍵。目前，尚未看到異組分W-Cu合金釬焊的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種釬焊異組分W-Cu合金的釬料及制備方法和釬焊方法，釬料綜合性能良好，設(shè)計(jì)的釬焊工藝簡單合理，兩者配合使用最終能獲得力學(xué)性能優(yōu)越的釬焊接頭。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的釬焊異組分W-Cu合金的釬料，所述釬料各組分及組分的質(zhì)量百分比分別為Mnl0.0%?16.0%，Co0.5%?3.5%, Ni 1.0%?5.0%, Ti 1.0%?4.0%，S1.2%?0.6%，B0.1 %?0.3%，余量為 Cu。
[0006]作為優(yōu)選，所述釬料為箔片帶，厚度為100?200 μ m。
[0007]作為優(yōu)選，所述釬料各組分及組分的質(zhì)量百分比分別為Mnl2.0%?15.0%，Col.0% ?3.0%，Ni 1.5% ?4.0%，Ti 1.5%?4%，S1.3%?0.6%，Β0.15%?0.3%，余量為Cu。
[0008]作為優(yōu)選，所述釬料各組分及組分的質(zhì)量百分比分別為Mnl3.0 %、Co2.5%,Ni3.0%、Ti3.0%、Si0.5%、B0.2%，其余為 Cu。
[0009]一種上述的釬焊異組分W-Cu合金的釬料的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Mn片、Co顆粒、Ni顆粒、Ti顆粒、Si顆粒、B顆粒和Cu顆粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15?25的溫度下進(jìn)行超聲清洗15?20min ；
[0011]2)將步驟I超聲清洗后的混合物在30?50°C的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
[0012]3)將混合物Mn、Co、N1、T1、S1、B和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單棍用帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
[0013]4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為 150 ?250 μπι ；
[0014]5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械栗抽真空至1.5X10_3Pa，然后采用分子栗抽高真空，高真空度不低于6X 10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至180?200mbar ；
[0015]6)開啟電機(jī)，使銅棍轉(zhuǎn)速us在29?34m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體70s?90s ;
[0016]7)將Ar氣氣壓調(diào)制P = 20?50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅棍表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為 100 ?200 μπι。
[0017]作為優(yōu)選，所述步驟3中石英管噴嘴呈長方形，其長度為8?12mm，寬度為0.9?
1.2mmο
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟6中銅輥直徑為250mm，銅輥寬度為50mm。
[0019]一種使用上述的釬焊異組分W-Cu合金的釬料的釬焊方法，包括以下步驟:
[0020](I)準(zhǔn)備階段:對(duì)待釬焊的兩塊異組分的W-Cu合金試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28?W3.5號(hào)金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，利用W3.5號(hào)金相砂紙將釬料箔片雙面進(jìn)行研磨光滑，研磨后將兩塊異組分的W-Cu合金試樣及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15?20min，并進(jìn)行烘干處理；
[0021](2)裝配階段:將清洗后的釬料箔片置于兩塊異組分的W-Cu合金待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.02?0.04MPa的恒定垂直壓力；
[0022](3)釬焊連接階段:將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6X 10_4Pa的釬焊設(shè)備中，首先以10?15°C /min的速率升溫至300?350°C，保溫15?20min，再以5?10°C /min的速率升溫至700?850°C，保溫時(shí)間15?20min，再以8?12°C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1000?1050°C，保溫時(shí)間20?45min，再以12?16°C /min的速率冷卻至800?850°C，保溫時(shí)間10?15min，最后以5?10°C /min的速率冷卻至400?450°C，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
[0023]本發(fā)明制備的銅基釬料，通過合理添加多種合金元素使釬料具有良好的釬焊工藝性能，耐熱耐腐蝕性能和加工性能，滿足異組分W-Cu合金釬焊接頭在復(fù)雜環(huán)境中的性能要求。其中加入適量的Mn元素一是可以通過固溶作用提高釬焊接頭的性能，二是Mn的加入在一定程度上也能提高接頭的耐高溫性能；加入適量的Co元素既可以避免在釬料中生成新相，又能改變相組成物質(zhì)的形態(tài)，對(duì)特定相的細(xì)化作用很明顯；加入適量的Ni元素可以提高接頭的耐熱耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度；加入適量Ti有利于降低釬料熔點(diǎn)提高合金流動(dòng)性以及可以細(xì)化晶粒，提高釬料合金的強(qiáng)度與塑性；加入微量的Si和B可提高釬料的抗氧化能力，降低釬料的熔化溫度，改善潤濕性；同時(shí)大量的Cu元素有利于提高釬料對(duì)母材的潤濕性和固溶能力，提高合金釬料的塑性和強(qiáng)度，促進(jìn)兩塊不同組分W-Cu合金的固溶冶金反應(yīng)，提高釬焊接頭的綜合性能。
[0024]本發(fā)明提供的釬焊工藝是采用先將兩塊異組分的W-Cu合金以對(duì)接的方式放入專門的釬焊夾具中，再將樣品和夾具一同放入真空爐完成釬焊，高真空環(huán)境配合合理的工藝參數(shù)設(shè)定，使得整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，有助于獲得力學(xué)性能良好的釬焊接頭。
[0025]本發(fā)明提供的銅基釬料對(duì)W-Cu合金表現(xiàn)出良好的潤濕性和冶金相溶性，獲得的釬焊接頭強(qiáng)度高，耐蝕性好，是一種綜合性能良好的經(jīng)濟(jì)型釬焊材料。本發(fā)明設(shè)計(jì)的釬焊工藝簡單，實(shí)施方便快捷，配合合理的工藝參數(shù)設(shè)定可以很好地實(shí)現(xiàn)兩塊異組分W-Cu合金的連接。
[0026]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027](I)本發(fā)明提供的銅基釬料釬焊溫度在1000°C?1050°C，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻，通過添加相關(guān)有益元素，使得釬料對(duì)W-Cu合金具有良好的潤濕性和冶金相溶性，獲得的釬焊接頭強(qiáng)度高，耐蝕性好，完全能應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中，是一種綜合性能良好的經(jīng)濟(jì)型釬料；制備的銅基釬料箔片有利于促進(jìn)釬焊連接過程中合金元素的擴(kuò)散和界面反應(yīng)，提高釬料在W-Cu合金表面的潤濕和鋪展能力，有助于形成致密的釬焊接頭；
[0028](2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的異組分W-Cu合金的釬焊工藝簡單合理，采用真空爐中釬焊方法，釬焊過程無須添加釬劑及其他保護(hù)措施，高真空環(huán)境配合合理的工藝參數(shù)設(shè)定，使得整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，有助于獲得力學(xué)性能良好的釬焊接頭；
[0029](3)本發(fā)明提供的銅基釬料具有優(yōu)異常溫和高溫性能，能與母材充分發(fā)生固溶冶金反應(yīng)，配合使用本發(fā)明簡單實(shí)用的釬焊工藝最終能獲得綜合性能良好的連接接頭，為W-Cu合金提供了新的應(yīng)用前景；
[0030](4)本發(fā)明研制的銅基釬料綜合性能良好，非常適用于W-Cu合金的釬焊，設(shè)計(jì)的釬焊工藝實(shí)施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復(fù)再現(xiàn)，便于廣泛的推廣與應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明釬焊結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為具體實(shí)施I得到的釬焊接頭掃描電鏡