[发明专利]一种氧化铝陶瓷的铝或铝合金直接钎焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种陶瓷材料的钎焊方法，尤其涉及一种采用铝或铝合金作为钎料对Al₂O₃陶瓷进行直接钎焊的方法，用于陶瓷加工领域。

背景技术

氧化铝(Al₂O₃)陶瓷的高刚度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和高绝缘等诸多优异性能使其在现代工业和高技术领域得到越来越多的应用。钎焊是Al₂O₃陶瓷相互连接和与金属相连接的最主要方法。例如，由于具有高的热导率和尺寸稳定性以及高绝缘击穿场强等诸多优势，Al₂O₃作为电子基板在大功率电力电子电路中得到广泛应用，在这样的应用中就必须首先将Al₂O₃基板和金属进行钎焊连接，但是，由于在通常的钎焊温度下作为钎料的液态金属不能润湿Al₂O₃，它们的润湿角大于90°，使得难以采用金属对Al₂O₃进行直接钎焊。早期的方法是对Al₂O₃进行金属化，通过在其钎焊面上烧结或镀覆能与Al₂O₃反应的活性金属层(如Mo、W等)，进而采用Cu基或Ag基钎料实现钎焊连接。近年来发展的活性钎料钎焊法则采用了在钎料中加入活性金属组分的方法，通过如Ti，V，Cr等活性金属与Al₂O₃陶瓷的反应在其表面形成反应过渡层，进而实现金属对Al₂O₃陶瓷的润湿而将其连接。然而，由这些方法获得的钎焊接头都在钎缝金属与Al₂O₃界面存在反应过渡层，而反应过渡层的存在常会对接头产生不利的影响。例如，Cu和Al₂O₃钎焊接头的热疲劳性能就因超过1000℃的钎焊温度时界面产生的CuAlO₂而明显降低。现代工业中急需一种能够通过金属直接钎焊Al₂O₃陶瓷而不在接头中产生反应过渡层的技术。

Al与Al₂O₃不发生反应，采用Al及其合金作为钎料直接钎焊Al₂O₃可获得无反应过渡层的钎焊接头，这样的接头可因Al及其合金的易变形能力缓解热应力，获得高的热疲劳性能，而铝钎缝表面形成的氧化膜，则可显著提高接头的抗腐蚀性。Ksiazek等在题为“Al/Al₂O₃的润湿性和连接强度”的研究论文[KsiazekM,SobczakN,MikulowskiB,RadziwillW,SurowiakI.WettingandbondingstrengthinAl/Al₂O₃system.MaterialsScienceandEngineering:A,2002,324(1):162-167]报道：在Al/Al₂O₃组成的体系中，当Al熔液的润湿角由750℃和850℃的121°和96°不润湿状态到950℃的79°润湿状态后，界面的剪切强度可由29MPa和35MPa显著提高到46MPa。由此可见，采用Al或Al合金对Al₂O₃陶瓷进行钎焊，可以得到高的接头强度。但是，由于铝熔液只有在850℃以上对Al₂O₃的润湿角才能小于90°，而850℃以上的钎焊温度将因Al熔液严重过烧降低接头的质量和性能。