本發(fā)明屬于異種材料的低溫連接，具體涉及一種用于高導(dǎo)熱碳材料與金屬釬焊的活性釬料及低溫直接釬焊方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子設(shè)備向尺寸小型化、功能一體化、結(jié)構(gòu)緊湊化、高功率密度化以及穩(wěn)定可靠化方向發(fā)展，電子設(shè)備核心芯片熱流密度大幅度增加，面對(duì)超高的熱流密度，核心芯片的熱控問(wèn)題凸顯，為解決新一代電子設(shè)備發(fā)展過(guò)程中高效散熱的技術(shù)難題，高熱導(dǎo)復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，常見的高熱導(dǎo)復(fù)合材料有金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料、apg(退火態(tài)熱解石墨)/金屬?gòu)?fù)合材料以及石墨烯/金屬?gòu)?fù)合材料。由于高熱導(dǎo)復(fù)合材料是將高熱導(dǎo)碳材料與金屬通過(guò)特殊方法連接起來(lái)而得到的，因此，高熱導(dǎo)碳材料與金屬的連接工藝尤為重要，這將決定連接界面的狀態(tài)與性能，進(jìn)而影響高熱導(dǎo)復(fù)合材料的性能。高熱導(dǎo)碳材料與金屬的連接界面處主要存在以下問(wèn)題：(1)碳材料與金屬界面潤(rùn)濕差，例如石墨與鋁的接觸角約為140°，使得制備過(guò)程中兩者界面處容易產(chǎn)生孔洞和缺陷，界面結(jié)合強(qiáng)度低，界面熱阻大；(2)碳材料與一些金屬之間在高溫下易發(fā)生界面反應(yīng)，例如，碳材料與金屬鋁反應(yīng)易生成脆性且易水解的al4c3相，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能嚴(yán)重不利；(3)碳材料與金屬之間熱膨脹系數(shù)差異大，界面處熱失配嚴(yán)重，經(jīng)歷熱循環(huán)或熱沖擊時(shí)將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，界面結(jié)合可靠性低。

2、在現(xiàn)有的碳材料/金屬連接方法中，活性釬焊法是研究最廣且最適合的連接方法之一，該法具有釬料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、對(duì)母材影響小、焊接面積大及可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊接接頭等優(yōu)勢(shì)，釬料體系往往采用活性元素(ti、cr、zr、w、v等強(qiáng)碳化物生成元素)直接焊接高熱導(dǎo)碳材料與金屬，活性釬焊法主要是利用活性元素與碳材料發(fā)生界面反應(yīng)形成碳化物層以改善碳材料的潤(rùn)濕性，焊接工藝較為簡(jiǎn)單。目前活性釬料主要分為ni基、cu基以及ag-cu基，其中ni基、cu基釬料熔化溫度分別在1000℃及900℃左右，焊接溫度普遍較高，接頭處容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。ag-cu基釬料雖然具有相對(duì)較低的焊接溫度(如ag-cu-ti焊接溫度為800℃左右)，但對(duì)于一些低熔點(diǎn)金屬來(lái)說(shuō)其焊接溫度依舊較高，面對(duì)層間結(jié)合強(qiáng)度較低的石墨烯膜、apg等材料，接頭處依舊存在應(yīng)力開裂的問(wèn)題。

3、因此，需要開發(fā)一種活性釬料，不僅具有較低的熔化溫度，而且使接頭性能良好，如焊縫處無(wú)缺陷，結(jié)合強(qiáng)度高，并可以利用這種活性釬料成功的焊接高熱導(dǎo)碳材料與金屬，以滿足小體積、大功率電子器件超高熱流密度局部熱源高效散熱的迫切需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決現(xiàn)有高熱導(dǎo)碳材料(適用于石墨烯、apg、金剛石等多種碳材料)與金屬(主要為鋁或銅等高熱導(dǎo)率金屬)不能通過(guò)低溫直接釬焊方法獲得接頭性能優(yōu)良的焊接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種活性釬料及低溫直接釬焊方法，該活性釬料具有較低的熔點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱碳材料與金屬在低溫下直接釬焊，焊縫處無(wú)明顯缺陷，接頭性能優(yōu)良，釬焊工藝更加簡(jiǎn)單、成本更低。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的目的之一是提供一種活性釬料，包括ag-cu粉、in粉、sn粉和tih2粉；

4、活性釬料中sn含量為粉末總質(zhì)量的10wt％～25wt％，in含量為粉末總質(zhì)量的15wt％～25wt％，ti含量為粉末總質(zhì)量的3wt％～6wt％，余量為ag-cu粉。

5、優(yōu)選的，ag-cu粉為agcu28。

6、優(yōu)選的，活性釬料用于高熱導(dǎo)碳材料與金屬的低溫直接釬焊。

7、本發(fā)明的目的之二是提供一種低溫直接釬焊方法，包括如下步驟：

8、(1)待焊接材料處理：將高熱導(dǎo)碳材料塊體與金屬塊體浸泡、超聲清洗、烘干；

9、(2)活性釬料制備：取ag-cu粉、in粉、sn粉以及tih2粉，將四種粉末放置于真空行星球磨機(jī)中研磨得到活性釬料，將釬料粉末密封儲(chǔ)存；

10、(3)樣品裝配：將活性釬料與松油醇、纖維素混合制成焊膏，采用絲網(wǎng)印刷將焊膏涂敷在高熱導(dǎo)碳材料一側(cè)，將該側(cè)與一塊金屬裝配后，再次采用絲網(wǎng)印刷將焊膏涂敷在高熱導(dǎo)碳材料另一側(cè)，將另一塊金屬壓在高熱導(dǎo)碳材料上方，得到金屬/高熱導(dǎo)碳材料/金屬三明治焊接結(jié)構(gòu)，將三明治焊接結(jié)構(gòu)放置于石墨模具中，對(duì)三明治焊接結(jié)構(gòu)施加壓力；

11、(4)釬焊：將三明治焊接結(jié)構(gòu)連同石墨模具放入真空釬焊爐中升溫加熱，保溫10～30min后冷卻至室溫，釬焊完成。

12、優(yōu)選的，(1)中超聲清洗時(shí)間為5～10min。

13、優(yōu)選的，(2)中四種粉末在真空行星球磨機(jī)中研磨時(shí)的氣體氛圍為氬氣氛圍。

14、優(yōu)選的，(2)中真空行星球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為100～150r/min，研磨時(shí)間為4～8h。

15、優(yōu)選的，(3)中活性釬料、松油醇、纖維素三者成分配比為(2：1：1)～(3：1：1)。

16、優(yōu)選的，(3)中對(duì)三明治焊接結(jié)構(gòu)施加壓力為0.5～3mpa。

17、優(yōu)選的，(4)中升溫加熱過(guò)程為：保持5～20℃/min的升溫速率，先升溫至500℃保溫20～40min，繼續(xù)升溫至580℃～640℃。

18、優(yōu)選的，(4)中冷卻速率為5～10℃/min。

19、本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

20、(1)低溫直接釬焊所使用的活性釬料，其成分更加靈活可控，制備方式簡(jiǎn)單，通過(guò)降熔元素(in、sn)和活性元素(ti)的調(diào)控，可以滿足不同焊接結(jié)構(gòu)對(duì)焊接溫度、潤(rùn)濕性等工藝要求。

21、(2)本發(fā)明提供的活性釬料是在傳統(tǒng)agcuti釬料體系中添加了in、sn雙降熔元素所得，兩種元素均起到降低釬料體系焊接溫度的作用，并且根據(jù)cu-sn-in三元相圖調(diào)控活性釬料中sn、in含量，使agcusninti活性釬料熔點(diǎn)較傳統(tǒng)的agcuti釬料熔點(diǎn)進(jìn)一步降低至580℃～640℃，滿足了直接焊接高熱導(dǎo)碳材料與金屬的溫度范圍，但in、sn并不只起降低熔點(diǎn)的作用，sn元素的添加有助于提高釬料對(duì)金屬側(cè)的潤(rùn)濕性，提高釬料的塑韌性，同時(shí)降低釬料的制備成本；in元素不僅可以提高釬料導(dǎo)熱性、降低釬料熔點(diǎn)，同時(shí)還避免cu6sn5脆性化合物的生成，這是因?yàn)椋鶕?jù)cu-in-sn三元相圖，cu、in、sn三者均存在的情況下更易形成塑韌性較好、熔點(diǎn)更高的cu2in相，其中sn元素作為固溶元素固溶到cu2in相當(dāng)中，從而不會(huì)形成cu6sn5脆性化合物。

22、(3)在agcuti釬料體系中添加sn和in，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫下直接釬焊和接頭性能良好，單獨(dú)添加sn或in元素則達(dá)不到這種效果，因?yàn)閮H添加sn的agcusnti釬料不能降低焊接溫度至600℃，而僅添加in的agcuinti釬料，當(dāng)焊接溫度降低至600℃時(shí)，一般需要30～40wt％的in添加量，這種高添加比例，會(huì)造成in元素沿著焊接接頭金屬側(cè)的晶界析出，降低接頭性能。

23、(4)在agcusninti活性釬料中，ti與碳材料一側(cè)形成致密的tic層，防止界面的過(guò)度反應(yīng)，同時(shí)在焊接金屬時(shí)，ti與c之間更低的反應(yīng)吉布斯自由能可以防止金屬元素向高熱導(dǎo)碳材料一側(cè)擴(kuò)散并與碳元素反應(yīng)形成有害相，此外，ti與高熱導(dǎo)碳材料間充分的界面反應(yīng)有利形成緊密的界面結(jié)合，有利于界面熱傳導(dǎo)，提升焊接結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱率；適當(dāng)?shù)膖i含量調(diào)控，可以使agcusninti活性釬料體系對(duì)高熱導(dǎo)碳材料充分潤(rùn)濕，解決同時(shí)潤(rùn)濕碳材料與金屬界面的難題。

24、(5)焊縫中主要由al-cu-in固溶體及細(xì)小的ag-金屬(al、cu等)、cu-in化合物組成，利用al-cu-in固溶體的塑韌性可以有效緩解焊縫處的殘余應(yīng)力，細(xì)小的ag-金屬(al、cu等)化合物、cu-in化合物通過(guò)第二相強(qiáng)化作用可以進(jìn)一步提高焊縫強(qiáng)度。

25、(6)相比于其他高熱導(dǎo)碳材料/金屬釬焊方法，本發(fā)明提供的低溫直接釬焊法可以在更低的焊接溫度下直接焊接高熱導(dǎo)碳材料與金屬，其焊接界面結(jié)合緊密，焊縫中組織分布均勻，無(wú)明顯缺陷，并且低溫直接釬焊法相較于兩步法(石墨烯改性后低溫釬焊法)具有焊接工藝成熟簡(jiǎn)單、成本更低的優(yōu)勢(shì)。