[发明专利]一种采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法

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，特别是一种采用铝或铝合金作为钎料对AlN陶瓷进行直接钎焊的方法，用于陶瓷加工领域。

背景技术

AlN和最常用的Al₂O₃一样，都是性能优异的工程陶瓷，它们不但有高的强度和高温稳定性，而且还具有高的绝缘性、介电性、耐腐蚀性等许多优异的性能，在现代工业和高科技领域得到更多应用的广阔前景。例如，在电子工业中，由于AlN具有高于Al₂O₃近10倍而接近金属Al的热导率以及与Si、SiC、GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数，成为取代Al₂O₃的大功率集成电子电路的重要基板材料。在许多工程应用中，需要将AlN相互或与金属进行连接，而钎焊是实现这些连接的最主要方法。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AlN，它们的润湿角大于90°，使得难以采用金属对AlN进行直接钎焊。早期的方法是对AlN进行金属化，通过在其钎焊面上烧结或镀覆能与AlN反应的活性金属层(如Mo、W等)，进而采用Ag基、Cu基或Au基等钎料实现钎焊连接。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等活性金属组分与AlN陶瓷的反应在其表面形成反应过渡层，进而实现金属对AlN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AlN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AlN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AlN陶瓷而不在接头中产生反应过渡层的技术。

Al与AlN不发生反应，采用Al及其合金作为钎料直接钎焊AlN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。Sobczak等在“Al-AlN的润湿性与连接强度关系”的研究论文[SobczakN,KsiazekM,RadziwillW,StobierskiL,MikulowskiB.Wetting-bondingrelationshipinAl-AlNsystem，TRANSACTIONS-JWRI,2001,30:125-130]报道：在Al/AlN组成的体系中，当Al熔液的润湿角由900℃的108°不润湿状态到950℃的58°润湿态后，界面的剪切强度可由44MPa和显著提高到57MPa。由此可见，采用Al或Al合金对AlN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AlN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。

对现有技术进行的检索发现：中国专利[陶瓷与金属的连接方法，CN200910092748.8]公开了一种通过热浸镀在陶瓷表面镀覆一层微米级厚的Al或Al合金薄膜进而实现陶瓷之间或陶瓷与金属钎焊连接的方法，该专利发明人在论文“铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究”[王波,宁晓山,李莎.铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究，无机材料学报,2011,26(3):249-253]中，报道采用该方法对AlN和Al在670-820℃的钎焊结果，但是，该方法因热浸镀涂覆Al和Al合金与AlN陶瓷的结合强度不高，所获得的钎焊接头的强度仍不够理想。

目前仍没有采用Al和Al合金对AlN陶瓷进行直接钎焊并获得高强度接头技术的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本发明采用铝或铝合金对氮化铝陶瓷进行直接钎焊的方法，包括如下步骤：

通过物理气相沉积镀膜的方法在氮化铝(AlN)陶瓷的待钎焊表面镀覆作为钎料的纯铝(Al)或铝(Al)合金涂层，将两陶瓷以涂层面相对紧贴放置并施加压紧力后进行真空加热钎焊，得到由Al或Al合金直接钎焊AlN陶瓷的钎焊接头。在这种接头中，Al或Al合金的钎缝与AlN陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过渡层。

其中，物理气相沉积镀膜包括真空蒸发镀膜，溅射镀膜，以及离子镀膜等采用物理方法使金属气化后沉积于固体材料表面形成涂层的方法；

作为一种优选技术方案，在镀覆铝或铝合金涂层前，先将AlN陶瓷的待钎焊面进行抛光处理以降低其表面粗糙度。