陶瓷和铝的热浸镀—钎焊工艺研究

论文摘要

陶瓷具有高温强度好、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性能好等优异性能。铝具有良好的塑性、密度小、导电性好、比强度高等优点。陶瓷与铝的连接有望在汽车工业、电子封装领域、轻型陶瓷复合装甲等领域得到广泛的应用。但铝极易氧化，表面致密的氧化膜阻碍陶瓷与铝的连接。本文尝试用热浸镀铝工艺在陶瓷表面形成一层铝合金薄膜，再以该合金膜作为钎焊料，将陶瓷与铝钎焊连接。热浸镀实验分别采用了不同配比的铝硅、铝铜合金。陶瓷分别采用氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷。为了改善氮化铝陶瓷和铝的连接，本文还尝试了对部分氮化铝陶瓷进行了表面磁控溅射Ti、Fe处理。研究发现：采用氮气气氛中的热浸镀方法可以显著改善铝与氧化铝陶瓷及氮化铝陶瓷的润湿性。同时适当控制温度和气氛，可以在氧化铝陶瓷及氮化铝陶瓷表面形成一层厚为数微米连接紧密的铝硅合金膜。利用该合金膜，采用普通氮气钎焊方法可以将氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷与铝连接在一起。连接界面紧密，撕裂强度大于15N/mm。氧化铝陶瓷的最佳钎焊温度在625℃～655℃之间，氮化铝的最佳钎焊温度介于650℃～655℃。陶瓷与铝热浸镀-钎焊原理类似与过渡液相焊：在钎焊过程中，热浸镀层熔化生成液相，液相中的硅沿晶界向铝板中高速扩散，液相中硅含量的降低使熔点升高，最终液相完全消失，钎焊终止，实现陶瓷与铝的连接。提高热浸镀层中的硅含量可以降低钎焊温度，减少边缘未连接面积，但对陶瓷和铝的连接界面强度无直接影响。钎焊过程中加快升温速率可以抑制铝硅合金热浸镀层中硅的流失，降低钎焊开始温度，拓宽钎焊工艺区间。氮化铝表面磁控溅射Fe不利于氮化铝陶瓷与铝的热浸镀-钎焊连接。氮化铝表面磁控溅射Ti有利于降低氮化铝陶瓷热浸镀温度，但对氮化铝陶瓷与铝的钎焊没有明显影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 陶瓷与铝连接研究现状
• 1.2.1 氧化铝陶瓷与铝连接现状
• 1.2.2 氮化铝陶瓷与铝连接现状
• 1.3 陶瓷与铝的连接机理
• 1.3.1 氧化铝陶瓷与铝的连接界面
• 1.3.2 氮化铝陶瓷与铝的连接界面
• 1.4 铝的钎焊研究
• 1.4.1 铝钎焊原理
• 1.4.2 润湿性对钎焊的影响
• 1.5 铝与陶瓷的润湿性
• 1.5.1 润湿
• 1.5.2 铝与氧化铝陶瓷的润湿性
• 1.5.3 铝与氮化铝陶瓷的润湿性
• 1.6 课题的选择与研究内容
• 第2章 氧化铝陶瓷与铝的热浸镀-钎焊工艺
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 热浸镀实验
• 2.2.3 钎焊实验
• 2.2.4 分析方法
• 2.3 铝硅合金实验结果
• 2.3.1 热浸镀实验结果
• 2.3.3 钎焊实验结果
• 2.4 铝铜合金实验结果
• 2.4.1 热浸镀实验结果
• 2.4.2 钎焊实验结果
• 2.5 讨论
• 2.5.1 铝与氧化铝陶瓷的润湿性
• 2.5.2 升温速率对钎焊的影响
• 2.5.3 硅在钎焊中的作用
• 2.5.4 热浸镀铝硅合金氧化铝陶瓷和铝板的钎焊过程
• 2.6 本章小结
• 第3章 氮化铝陶瓷与铝的热浸镀-钎焊工艺
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 磁控溅射实验
• 3.2.3 热浸镀实验
• 3.2.4 钎焊实验
• 3.2.5 分析方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 氮化铝陶瓷与铝连接
• 3.3.2 磁控溅射 Fe 的氮化铝陶瓷与铝的热浸镀-钎焊
• 3.3.3 磁控溅射 Ti 的氮化铝陶瓷与铝的热浸镀-钎焊
• 3.4 氮化铝热浸镀实验常见问题
• 3.4.1 氮化铝陶瓷基板的清洗
• 3.4.2 碳对氮化铝热浸镀实验的影响
• 3.5 讨论
• 3.5.1 铝与氮化铝陶瓷的润湿性
• 3.5.2 铝硅合金热浸镀层中的硅的扩散
• 3.5.3 钛在热浸镀及钎焊实验中的作用
• 3.5.4 氮化铝陶瓷与氧化铝陶瓷的热浸镀-钎焊对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果