摘要：针对氧化铝陶瓷在焊接过程中焊接温度高，与钎料润湿性差，焊接残余应力大等问题，本文提出采用Sn基钎料，并在钎料中添加少量的Al元素，使之在超声波的作用下实现金属/陶瓷界面的活化反应，从而实现大气环境下的低温焊接。文中对接头界面反应，焊缝组织以及力学性能进行了探讨，研究了不同的超声作用时长对界面结构以及力学性能的影响。采用先热浸后焊接的工艺，分别在270℃和170℃以SnAgCuAl和SnBiAl钎料连接95%氧化铝陶瓷，得到的接头最高强度分别为41MPa和37MPa。在超声作用下，母材与钎料界面发生反应生成纳米氧化铝颗粒残留在母材表面，随超声作用时长的增加，界面反应产物增多，强度提高。
一、前言
氧化铝陶瓷材料因具有高的硬度、强度、耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性等优良的特点，是一种 力学性能和热电性能都十分优异的陶瓷材料。但氧化铝陶瓷但氧化铝陶瓷材料较脆，加工性能也较 差，这在一定程度上制约了这一材料的应用[1][2]。，在制造含有氧化铝的复杂结构或者大尺寸构件时， 往往必须要使用一定的连接技术，例如连接、粘接等。
因为氧化铝陶瓷有介电常数小，电阻率高，机械强度高等特点，它在电子技术领域中发挥着重 要的作用。在微电子行业中，氧化铝陶瓷广泛地应用于厚膜，薄膜电路基片，电路密封材料，多芯 片器件的多层板结构等。在组装这些配件的过程中，目前常用的方法主要是粘接。由于高分子粘接 材料往往耐久性较差，工业界非常期盼能够用金属材料焊接氧化铝陶瓷来代替粘接。但是由于陶瓷 材料与金属之间的润湿和结合往往非常差，氧化铝陶瓷的焊接通常难以进行。使用 Ag‐Cu 钎料在高 温下（800C 以上）以 Ti 元素为活性元素可以有效促进金属与氧化铝之间的连接[3‐7]，但是这一反应 在低温下难以进行。而电子器件的焊接往往要求在较低温度下进行。氧化铝陶瓷的低温钎焊往往是 通过间接钎焊实现的。首先将待焊的陶瓷进行金属化，使之形成易于与焊缝金属连接的金属镀膜。 目前较为常见的金属化方法主要有 Mo‐Mn 法、物理气相沉积法(PVD)，化学气相沉积法(CVD)等[8‐10]。 但是这些方法往往可靠性不高，而且加工精度难以保证。针对这些问题，本文使用 Sn‐Ag‐Cu‐Al 和 Sn‐Bi‐Al 两种低温钎料，利用超声辅助焊接的方法促进陶瓷/金属界面的反应和结合，从而实现了在 大气条件下的氧化铝陶瓷低温连接。
二、实验材料和方法
本实验所涉及的材料主要有：1010x5mm3 的 95wt%Al2O3陶瓷，表面经抛光处理，其主要的物 理和力学性能如表 1 所示。SnAgCuAl 和 SiBiAl 钎料均采用市售的纯金属自行配置，其成分分别如表 2和表 3 所示。SnAgCuAl 合金的熔点为 240℃，SnBiAl 合金的熔点约为 140℃。
焊接过程分为两步：超声涂覆和超声钎焊。在超声涂覆的过程中，将氧化铝陶瓷浸没在钎料池 中，钎料池底部以 20KHz 的超声频率进行振动。在超声空化效应的作用下，液态金属的氧化膜被破 除，陶瓷/金属界面形成润湿和结合。在超声涂覆之后，将两块涂覆好的陶瓷相对放置，然后将超声 施加在其中一块上，从而破除两块陶瓷之间的金属氧化膜，形成焊接接头。以上过程均在钎料合金 熔点以上约 30C 的条件下进行。焊接完成后试件随炉冷却。实验材料均在丙酮中经过超声清洗。
为了考察焊缝的组织结构，使用陶瓷切割机切割焊缝截面，并经过金刚石磨盘和金刚石抛光剂 的抛光后，使用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。为了考察在热浸过程中的陶瓷/金属界面反应， 对超声热浸后的陶瓷表面进行分析时，首先用酸液将母材表面的金属去除，露出界面反应后的母材 表面。由于陶瓷材料本身不导电，在进行 SEM 观察钱采用离子溅射的方法在母材表面镀一层金膜。 同时使用扫描电镜配备的 EDS 对显微组织的成分进行测定。对超声辅助钎焊得到的陶瓷接头采用的 是压剪试验进行力学性能分析。试验中压杆的下压速度为 1mm/min，通过断裂时的压力以及接头面 积即可得出接头的压剪强度。
三、实验结果和讨论
图1是抛光后的陶瓷表面照片。不论是在低倍还是在高倍下观察，未涂覆的表面都是比较光滑的。 在高倍显微镜下，陶瓷表面存在着一些划痕，这是抛光过程中留下的痕迹。
图2 是抛光后的陶瓷表在 SnAgCuAl 合金中超声涂覆 50s 后的表面。在低倍下观察即可发现表面形成 了一些颗粒状的突起。与未涂覆的表面相比，母材表面明显粗糙化。进一步在高倍下观察可以发现 这些突起是由无数的纳米颗粒组成的。对这些纳米颗粒进行 EDX 能谱分析，发现其成分与氧化铝母 材基本接近。因此可以推断，在超声涂覆的过程中，氧化铝表面形成了新的纳米氧化铝薄膜。这一 薄膜的存在可能对陶瓷/金属的界面结合产生有益的影响。使用 SnBiAl 钎料合金热浸氧化铝陶瓷所得到的界面反应与 SnAgCuAl 合金相似。
图3 为 SnAgCuAl 合金超声钎焊氧化陶瓷接头截面形貌。钎料与氧化铝母材结合较好，界面比较 平直，没有明显的裂纹或未焊合等缺陷。从图 3 b 可以看到钎料部分整体颜色比母材浅，焊缝中可观察到灰色方形合金相Ⅰ，对焊缝中单侧某一区域进一步放大观察，得到图 3 c，图中左侧为 SnAgCuAl 钎料，右侧为 Al2O3 母材，在图中可观察到存在一些灰色斑点区域Ⅱ。这些斑块都是合金中的金属间 化合物。在焊缝中的界面处，均没有观察到明显的反应层的存在。可见陶瓷/金属之间的反应主要是 纳米氧化铝沉积层。使用 SnBiAl 钎料合金热浸氧化铝陶瓷所得到的界面反应与 SnAgCuAl 合金相似。
图4 a 为 SnAgCuAl 合金超声钎焊氧化陶瓷接头的强度结果。在超声涂覆时间为 50s 的条件下， 接头的剪切强度达到 31MPa，超声涂覆 300s 的条件下，接头强度为 41MPa。可见随着超声时间的延 长，界面反应变得更加充分，接头强度提高。图 4 b 为 SnBiAl 合金超声钎焊氧化陶瓷接头的强度结果。在超声涂覆时间为 50s 的条件下，接头的剪切强度达到 19MPa，超声涂覆 300s 的条件下，接头 强度为 37MPa。强度与超声时间的关系都是相似的。对比不同温度下的结果可以发现，在熔点较高 的合金焊接得到的接头强度较高。着可能是因为在较高的温度下界面反应更加充分造成的。
四、结论
在 270℃ 下，以 SnAgCuAl 为钎料，采用振幅为 5μm 的超声先热浸后焊接的工艺实现了 95wt.%Al2O3 陶瓷的连接，钎料与母材结合良好，接头最高强度 41MPa，实现了 Al2O3 陶瓷较低温度 下的连接。在 170℃下，以 SnBiAl 为钎料，采用振幅为 5μm 的超声先热浸后焊接的工艺，实现了 95wt.%Al2O3 陶瓷的连接，接头的最高强度可达 37MPa，实现了更低温度下的连接。在超声作用下， 钎料中的 Al 元素成分与溶解在钎料中的 O 发生反应，在 Al2O3 陶瓷母材表面生成 Al2O3，并且随着超 声作用时间的增大，反应变得更加充分，接头强度提高。
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