摘要
针对目前缺乏适合AlN陶瓷和Al低温钎焊的钎料的问题，通过向AgCuTi 钎料中加入In和Sn元素来降低 钎料熔点，制备了新型低温钎料Ag-28Cu-35In-2Ti和Sn-19Ag-14.35Cu-17.5In-1Ti（质量分数），从而实现AlN/Al接头的良好连接。探究 了两种钎料对AlN陶瓷和Al的低温钎焊工艺和接头组织形貌及性能影响。结果表明：Sn-19Ag-14.35Cu-17.5In-1Ti钎料在钎缝处形成了InSn3、TiAl3等相对稳定的化合物。Ag-28Cu-35In-2Ti钎料在钎缝处生成Al2Cu、AgIn2和TiAl3等相对稳定的化合物，随着焊接温度的增加，接头强度随之提高。为阻止In的扩散析出，选择在Al表面镀Ni，但镀Ni使接头导热性能有所下降。发现使用Ag-28Cu-35In-2Ti钎料进行焊接，在640 ℃保温30 min的条件下，接头强度最高，为20.28 MPa；在620 ℃保温15 min 的条件下，热扩散系数可达到 65.941
随着智能化、信息化时代到来，航空航天、军工国防、轨道交通等领域电子设备向尺寸小型化、功能一体化、高功率密度化方向迅猛发展，同时由超高热流密度引发的热控问题也日益凸
对于功率半导体器件而言，封装基板必须满足以下要求：（1）高热导率。由于器件产生的热量大部分经封装基板传播，所以导热良好的基板可使芯片免受热破坏。（2）与芯片材料热膨胀系数匹配。由于芯片直接贴装于封装基板上，两者热膨胀系数匹配会降低芯片热应力，提高器件可靠性。（3）耐热性好，满足功率器件高温使用需求，具有良好的热稳定性，以及绝缘性好、机械强度高、价格适宜等要
由于AlN与Al材料性能差异，实现二者的可靠连接存在以下难题：（1）因Al氧化膜存在，会影响接头焊接质量；（2）AlN性能稳定，润湿性差，导致目前缺乏合适的连接材料和方法；（3）AlN与Al热膨胀系数差异大，界面残余应力高；（4）通过预氧化法、活性钎焊法等制造的接头存在Al2O3等高热阻界面产物，导致接头热导率低。（5）研究集中于工艺探索和接头强度方面，接头界面结合特性尚不清
由于AlN陶瓷表面性质稳定，润湿性差，通过测试Al、Sn、In等14种金属钎料以及向其中加入Cr、Ni、Ti等活性元素的合金钎料在AlN表面的润湿性，结果表明在不加活性元素的条件下，只有Al和Si在 AlN表面润湿，而在活性元素中，只有Ti元素可以起到提高钎料润湿性的作
综上，针对目前功率半导体器件对于散热基板的迫切需求，本研究设计新型低温钎料，对AlN陶瓷和Al低温钎焊以及接头组织性能调控进行研究，通过设计低温钎料，一体化制备AlN和Al高导热高强度连接接头，有望开发出高可靠、高导热、高强度的新一代陶瓷散热基板。本研究将对AlN陶瓷和Al连接及其它陶瓷基板的连接提供新思路。
实验所用的AlN陶瓷基板尺寸为114.3 mm× 114.3 mm×3 mm，在AlN陶瓷中含有2%~5%（质量分数）的Y2O3烧结剂。Al板尺寸为100 mm×100 mm×5 mm。为方便后期钎焊需要，将AlN陶瓷及Cu板分别用金刚石切割及电火花线切割方式进行规格重置，尺寸规格分别为3.5 mm×3.5 mm×3 mm和7 mm×7 mm×5 mm。
制备钎料所采用的原材料：Ag-32.56Cu-22.12In-2.27Ti（In22）四元合金粉；Sn-3Ag-0.7Cu（SnAgCu）三元合金粉和In粉。通过XGB2行星式球磨机向钎料中混入In粉来制备新钎料，将钎料称量20 g，倒入球磨罐中，并且在球磨罐中倒入无水乙醇和磨球，同时磨球:钎料:无水乙醇溶液的质量比为2:1:1，且大球:小球的质量比为1:1。将球磨罐放入球磨机紧固后，以转数 200 r/min，球磨时间1.5 h开始球
通过XRD分析钎料的物相组成，通过TG/DSC同步热分析仪测定钎料的熔点，通过动态润湿角测量仪测定制得钎料的润湿角，设置温度曲线，即在20 min内从0 ℃升温到200 ℃, 在200 ℃时保温10 min；在20 min内从200 ℃升温到400 ℃, 在400 ℃ 时保温10 min；在40 min内从400 ℃升温到600 ℃, 在600 ℃时保温20 min；在40 min内从600 ℃升温到800 ℃, 在800 ℃时保温 20 min，加热曲线如
图2 钎焊试样制备示意图
Fig.2 Preparation diagram of brazed specimen
图 3 抗剪实验示意图
Fig.3 Schematic diagram of the shear resistance test
图 4 不同In含量钎料对AlN润湿情况
Fig.4 Wettabitity of AlN with brazing metal with different In contents: (a) 22%, (b) 30%, (c) 32%, and (d) 35%
图 5 球磨不同时间钎料对AlN润湿情况
Fig.5 Wettability of AlN with brazing metal ball milled for different time: (a) mortar, (b) 30 min, (c) 60 min, and (d) 90 min
图 6 球磨不同时间In35钎料钎焊接头OM照片
Fig.6 OM images of brazed joints with In35 brazing metal ball milled for different time: (a) mortar, (b) 30 min, (c) 60 min and (d) 90 min
图 7 钎料粉末 XRD图谱
Fig.7 XRD patterns of solder powder: (a) In22, (b) In35, and (c) SnAgCuInTi
图 8 钎料粉末 DSC曲线
Fig.8 DSC curves of solder powder: (a) In22, (b) In35, (c) SnAgCu brazing meterial, and (d) SnAgCuInTi
图 9 In35 钎料 620 ℃保温30 min焊缝不同放大倍数SEM照片
Fig.9 SEM images of the welded seam with In35 brazing metal held at 620 °C for 30 min
图 10 图9a对应EDS面扫描
Fig.10 Element mappings corresponding to Fig.9a: (a) Al, (b) Ag, (c) N, (d) In, (e) Ti, and (f) Cu
钎焊试样如
焊接成功后，首先使用牙托粉对焊接试样进行冷镶固定，然后依次使用80#、240#、400#、800#、1500#和2000#砂纸进行打磨处理后，在精密研磨抛光机上借助0.5 μm的Al2O3抛光剂完成对金相试样的抛光处理，使用SU5000场发射扫描电子显微镜（SEM）及其附属的UltimMax40型X射线能量分散谱观察钎焊接头的组织并分析钎缝的成分,使用X射线衍射仪进一步确定钎焊完成后接头内部的反应相构成，与EDS结果进行验证，钎焊接头的剪切强度采用电子万能试验机进行测试，抗剪实验示意图如
采用TG/DSC同步热分析仪测量接头的热扩散系数。为测量接头的热扩散系数，首先使用游标卡尺测量接头的厚度。而后使用阿基米德排水法测量接头的密度。通过热扩散系数的测量来分析接头的导热性能。
目前，由于在活性元素中只有Ti可以改善AlN陶瓷的润湿性，而活性钎焊法主要应用的AgCuTi体系钎料的钎焊温度较高，在800 ℃以上，而Al熔点为660 ℃。所以，为得到符合AlN陶瓷/Al钎焊温度要求的钎料，根据文献以及Ag-Cu-In与Sn-Cu-Ag的三元相
能否获得良好的 AlN/Al 钎焊接头的关键在于钎料对于AlN 陶瓷的润湿性以及钎料熔点是否满足Al钎焊的要求。因此在连接过程中，钎料中降熔元素In的添加量以及钎料的制备方法尤为重要，本节探讨钎料的成分制备以得到润湿良好的接头。
所以，从
对含In质量分数为22%的钎料和含In质量分数为 35%的AgCuInTi钎料分别球磨90 min，并将混粉所得含In质量分数为35%AgCuInTi钎料与购买所得 SnAgCu钎料按照1:1的比例进行球磨混合，对所得的3种钎料进行XRD与 DSC测量，进行对比分析，如
从
使用含In质量分数为35%的AgCuInTi 钎料对Al和AlN在620 ℃，保温30 min的条件下钎焊，焊后试样进行磨抛处理，处理后试样的SEM照片和元素面分布 如图
使用SnAgCu与In35混合钎料对Al和AlN在620 ℃，保温20 min的条件下钎焊，焊后试样进行磨 抛处理，处理后试样的SEM照片和元素面分布如
图 11 SnAgCuInTi钎料 620 ℃保温20 min焊缝不同放大倍数SEM照片
Fig.11 SEM images of weld seam with SnAgCuInTi brazing metal held at 620 °C for 20 min
图 12 SnAgCuInTi 钎料 620 °C保温20 min接头EDS面扫描
Fig.12 Element mappings (a) of joint with SnAgCuInTi brazing metal held at 620 °C for 20 min: (b) Sn, (c) Ti, (d) Cu, (e) Al, (f) Ag, (g) N, and (h) In
选择In含量35%的AgCuInTi 钎料，研究连接过程中钎焊温度对接头组织和力学性能的影响，固定其他钎焊过程参数，保温时间为30 min，钎焊温度分别为580、600、620以及640 ℃, 所得钎焊接头如
图 13 In35钎料不同连接温度下的接头组织
Fig.13 Microstructures of joints with In35 brazing metal at different connection temperatures: (a) 580 °C, (b) 600 °C, (c) 620 °C, and (d) 640 °C
从
图 14 不同钎焊温度下In35钎焊接头的室温抗剪强度
Fig.14 Room temperature shear strength of In35 brazed joints at different brazing temperatures
对620 ℃下保温30 min的接头断口进行XRD 分析，如图15所示。可以看出，接头断裂位置处的相以In、AgIn2、Al2Cu等析出相，反应相为主，说明断裂位置在反应界面处。说明钎焊界面是焊接接头的薄弱位置。
可以看出，在焊接过程中，In的析出是一个普遍的现象，对接头的导热和力学性能产生一定的影响。为改善In的扩散情况，选择在Al表面镀Ni
通过磁控溅射的方式在Al表面镀Ni层，在磁控溅射前，对Al表面进行磨抛处理，保持Al表面清洁，磁控溅射时间为2 h。而后在620 ℃保温15 min的情况下进行焊接，并与不镀Ni所得的焊接接头进行对比。如
图 16 620 ℃保温15 min镀Ni焊缝不同放大倍数SEM照片
Fig.16 SEM images of Ni plating weld held at 620 °C for 15 min
图 17 不镀Ni焊缝不同放大倍数SEM照片
Fig.17 SEM images of non-Ni plating weld
对焊接接头的热扩散系数进行测量，同时与母材对比如
图 18 接头热扩散系数
Fig.18 Thermal diffusivity of the joint
1）通过AgCuInTi钎料中加入不同质量分数的In降低钎料熔点，改善钎料润湿性。并探究了球磨时间对钎料的影响，发现当In含量到达35%，球磨时间为90 min时，钎料的熔点最低，且润湿角低，在570 ℃发生熔化，润湿角在690 ℃仅为15.2°，润湿性良好。通过将含35%In的AgCuInTi钎料与SnAgCu钎料1:1混合得Sn-19Ag-14.35Cu-17.5In-1Ti钎料在487 ℃发生熔化。
2）使用Ag-28Cu-35In-2Ti 钎料所得接头是由Al2Cu， AgIn2，TiAl3，In以及Al基固溶体所组成。使用的Sn-19Ag-14.35Cu-17.5In-1Ti钎料所得接头是由InSn3，Al3Ti以及Al基固溶体所组成。
3）使用Ag-28Cu-35In-2Ti钎料所得接头的抗剪切强度随温 度升高呈现上升趋势，随着温度升高，钎料逐渐反 应完全，In析出量减少，接头强度升高。
4）Al表面镀Ni可以有效阻止In的扩散，但接头热扩散系数仅为21.452
5）使用Ag-28Cu-35In-2Ti钎料进行焊接，在焊接温度为640 ℃，保温时间为30 min的条件下，所得的焊接接头抗剪切强度最高，为20.28 MPa。
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