Ag-Au-Ge中温钎料的性能

图６润湿性实验装置示意图 Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｗｅｔｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
３结论
（１）实验中两种合金的熔点都在４００～５００℃ 之间，但熔化区间相对较大．
（２）显微组织表明两种合金的组成接近共晶组 成，存在典型的共晶组织．两种合金与基板间有较 好的接触性，界面间没有明显的金属间化合物形成．
生壳体与基座的焊接处熔化．理想的铝基复合材料 的封装焊接温度为４００～５００℃之间，目前市场上应 用于此温度段的钎料较少，因此迫切需要开发满足 此温度要求的钎料合金，满足工业应用要求．
有研究者对Ａｕ—Ａｇ—Ｓｉ合金体系进行了研 究［２－３ Ｊ，Ｇｅ和Ｓｉ是同一族元素，性质相似，所以推测 Ａｇ－Ａｕ－Ｇｅ合金体系可能有与Ａｕ－Ａｇ—Ｓｉ类似的性 质．本文在分析Ａｇ－Ａｕ—Ｇｅ体系相图的基础上，选 择熔点在４００～５００℃ห้องสมุดไป่ตู้围内的合金成分，研究合金 的熔化特性，观察其显微结构，测试合金在ＡＩ—ｓｉｃ／ Ｎｉ／Ａｕ基体上的浸润性及接触界面的显微组织形 貌，探讨其作为新型中温钎料使用的可能性．
图５合金润湿后的截面照片 Ｆｉｇ．５ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ａｆｔｅｒ ｗｅｔｔｉｎｇ
表３合金试样的浸润角 Ｔａｂｌｅ ３ Ｗｅｔｔｉｎｇ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙｓ
万方数据
第１２期
李春元等：Ａｇ－Ａｕ－Ｇｅ中温钎料的性能
对于钎料来说，能否与基板形成较好的浸润，是 能否顺利地完成焊接的关键．如果一种合金不能浸 润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙， 易使应力集中而在焊接处发生开裂．这种合金即使 其力学性能很优越，也不能用作焊料．
第３０卷第１２期 ２００８年１２月
北 京 科技 大 学学 报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ
ＶＯＩ．３０ ＮＯ．１２ Ｄｅｃ．２００８
Ａｇ－Ａｕ－Ｇｅ中温钎料的性能
李春元１’ 王西涛１’ 袁文霞２）
１）北京科技大学新金属材料国家重点实验室．北京１０００８３ ２）北京科技大学应用科学学院，北京１０００８３
摘要通过分析Ａｇ—Ａｕ一＆体系三元相图，根据其存在的共晶单变线ｅｌｅ２，制备了两种接近共晶成分的Ａｇ—Ａｕ—Ｇｅ钎料合 金（ＡＡＧｌ和ＡＡＧ２），研究了钎料合金的熔点、润湿性等性能，观察了合金的显微组织以及合金与ＡＩ－ＳＩＣ／Ｎｉ／Ａｕ基板的结合 界面．实验结果显示：ＡＡＧｌ合金的固相线和液相线的温度分别为４１０．０和４４９．８℃，ＡＡＧ２相应的温度为４０１．１和４４１．０℃； 两种钎料合金的固液相间距较大．ＡＡＧｌ对基板的润湿性较好；两种合金与基板的接触性很好，界面没有发现金属间化合物． ＡＡＧｌ可以作为４００～５００℃的钎焊料使用． 关键词钎焊料；熔化特性；浸润性；中温 分类号ＴＧｌ３６＋．３；ＴＧ４２５
图２两种合金的显微组织．（ａ）ＡＡＧＩ；（ｂ）ＡＡＧ２ Ｆｉｇ．２ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｔＷＯ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ：（ａ）ＡＡＧｌ；（ｂ）ＡＡＧ２
２．２合金试样的熔化特性测定 图４为两个合金试样的ＤＳＣ曲线．由图可见，
每种合金的ＤＳＣ曲线都只存在一个吸热峰，表明合 金的组成接近共晶成分．通常希望钎料的化学组成
由实验数据看出，在氩气气氛下，随着温度的升 高，试样在实验用基板上的浸润角逐渐减小．ＡＡＧｌ 浸润角都比较小，说明与基板的浸润性很好．ＡＡＧ２ 的浸润角相对而言比较大，浸润性较差．电子封装 工业中通常要求浸润角＜２０ ｏ【副；由此推断，ＡＡＧ２ 合金不能作为钎料使用．
实验中所用的装置是临时设计的，如图６所示， 采用的是流动氩气气氛，没有满足实际钎焊过程中 的氢气气氛，可能会存在一定的偏差．工业中通常 采用氢气气氛焊接，还原性气氛会降低固体的表面 张力，有助于钎料与母材的润湿【９ Ｊ，所以推断在氢 气气氛下，实验用的合金试样的浸润性比在氩气条 件下会更好．
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｗｏ ｅｕｔｅｃｔｉｃ ａｌｌｏｙｓ，ＡＡＧｌ ａｎｄ ＡＡＧ２．ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｓｏｌｄｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ａｇ—Ａｕ－Ｇｅ ｔｅｒｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ．Ｔｈｅ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｖａｃｕｕｍ ｍｅｌｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ，ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｌｄｅｒ ａｎｄ ＡＩ．ＳｉＣ／Ｎｉ／Ａｕ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ ｈａｖｅ ｌａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｌｉｄｕｓ ａｎｄ ｈｑｕｉｄｕｓ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄｕｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄｕｓ ａｒｅ ４１０．０℃ａｎｄ ４４９．８℃ｆｏｒ ＡＡＧｌ ａｎｄ ４０１．１℃ａｎｄ ４４１．０℃ｆｏｒ ＡＡＧ２．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ａｌｏｙ ＡＡＧｌ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｂｏｔｈ ｔｗｏ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｎｏ ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ ＷａＳ ｆｏｕｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ＡＡＧＩ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｏｓｓｉｂｌｙ ｕｓｅｄ ８Ｓ ｔｈｅ ｓｏｌｄｅｒ ｆｏｒ ４００—５００℃． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｓｏｌｄｅｒ；ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ；ｍｅｄｉｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
实验测定了合金在ＡＩ－ＳＩＣ／Ｎｉ／Ａｕ基板上的润 湿性，基板尺寸为２０ ｍｍ×１５ ｍｍ×１ ｍｍ，测定炉气 氛为流动的高纯氩气．实验中拍摄了动态熔化下的 照片，用ＡｕｔｏＣＡＤ处理照片以获得润湿角．
２实验结果与讨论
２．１合金试样的组织观察 图２为两种合金的微观组织照片．可以看到，
两种合金的微观组织很相似，都是由两相组成： ＡｇＡｕ固溶体和在晶界处分布的Ｇｅ相．由微观组织 还可以看到，在ＡｇＡｕ固溶体的晶界处呈明显的共 晶组织形貌，ＡｇＡｕ固溶体和Ｇｅ相交替析出．两种 合金与镀Ｎｉ／Ａｕ的Ａ１一ＳｉＣ基板的接触界面如图３ 所示．可以看到界面处没有明显的其他金属间化合 物的形成．
万方数据
第１２期
李春元等：Ａｇ—Ａｕ－Ｇｅ中温钎料的性能
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１ 实验 １．１合金成分设计
文献［５－６］对Ａｇ—Ａｕ－Ｇｅ相图进行了研究，发 现Ａｇ－Ｇｅ、Ａｕ—Ｇｅ两个二元系均存在共晶反应。共 晶温度分别为６５１℃和３６１℃，Ａｇ—Ａｕ能无限互溶． 根据相图的基本原理，初步推断Ａｇ—Ａｕ—Ｇｅ三元体 系的相图将形成一个具有三相平衡的共晶反应Ｌ— ＡｇＡｕ（口）＋Ｇｅ（ｆ１）的单变量线ｅｌ ｅ２，如图１所示，其 温度变化在３６１～６５１℃之间．共晶型合金熔化温 度区间小，因此其熔液流动性好，凝固后容易形成集 中缩孔，使合金致密，有利于提高焊缝的质量，钎料 通常选择共晶点配比的合金体系．本研究根据相图 选择设计了ＡＡＧｌ和ＡＡＧ２两个合金试样，合金组
收稿日期：２００８－０１—１８修回日期：２００８－０３—１３ 基金项目：教育部新世纪人才计划资助项日（Ｎｏ．ＮＣＥＴ一０５—０１０４）；北京科技大学４２２人才计划资助项目（Ｎｏ．２００５０４） 作者简介：李春元（１９８３～）．男．硕士研究生；王西涛（１９６８一）．男，教授．博士生导师．Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｉｔａｏｗａｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ
由于铝基复合材料具有较高的热导率和较低的 热膨胀系数，近几年被广泛应用于电子封装工业中， 尤其以～／ＳｉＣ为代表，在航空航天、微波集成电路、 功率模块、军用射频系统芯片等封装方面极为突出， 成为封装材料应用开发的重要趋势…．为保证所用 材料的性能在焊接时不受影响，焊接温度必须低于 铝基材料的熔点（６６０℃）【２ Ｊ．由于铝基复合材料的 熔点低于第一代的Ｗ—Ｃｕ、Ｋｏｖａｒ等合金材料，传统 的高温银基钎料不再适用．目前，这些电子器件的 壳体与器件的焊接多采用Ａｕ－Ｓｉ、Ａｕ—Ｇｅ等低熔点 钎料，其焊接温度在４００℃以下．由于它们的熔点 温度偏低，在进行器件内芯片与基体焊接时容易发
衰２合金的固相线与液相线 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｏｌｉｄｕｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙｓ
２．３合金试样的润湿性的测定 对于不同的合金试样，分别测量其液相点及其
以上２０，４０和６０℃四个温度下在Ａｌ＿ＳｉＣ／Ｎｉ／Ａｕ 基板上的浸润角．
实验中对不同温度下试样的熔化状态进行了动 态拍摄，然后用ＡｕｔｏＣＡＤ进行处理，测量浸润角． 润湿后的截面形貌照片如图５所示．实验中分别读 取熔化状态下合金左右两侧的浸润角，取其平均值． 具体实验结果见表３．
为共晶或者接近共晶，因为当组成接近共晶成分时， 能够防止在凝固过程中产生偏析．熔化温度对于钎 料而言是一个非常重要的参数，因为太高的熔点将 提高电子封装焊接过程中的回流温度【７Ｉ．
万方数据
北京科技大学学报
第３０卷
Ｆｉｇ．３
围３合金与基板界面处的显微组织．（ａ）ＡＡＧｌ；（ｂ）ＡＡＧ２ ＳＥＭ ｍｉｅｒｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｌｄｅｒ ａｎｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：（ａ）ＡＡＧｌ；（ｂ）ＡＡＧ２
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图４合金试样的ＤＳＣ曲线．（ａ）ＡＡＧｌ；（ｂ）ＡＡＧ２ Ｆｉｇ．４ ＤＳＣ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｄｅｒ ａｌｌｏｙｓ：（ａ）ＡＡＧｌ；（ｂ）ＡＡＧ２