【摘 要】
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蓝宝石,或称白宝石,结构为α-Al2O3单晶,具有优秀的结构特性与功能特性。蓝宝石本身具备耐高温、耐腐蚀、机械强度高的热点,同时具备有些的光学性能,因此在军事领域与民用领域应用广泛。在民用领域,特别是微电子领域,蓝宝石作为电子元件的衬底材料有广阔的应用前景,而这对蓝宝石的低温连接技术提出了要求。蓝宝石化学性质极其稳定,且热膨胀系数与金属差距较大,因此难以形成界面反应且界面处易产生残余应力。本文研究
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蓝宝石,或称白宝石,结构为α-Al2O3单晶,具有优秀的结构特性与功能特性。蓝宝石本身具备耐高温、耐腐蚀、机械强度高的热点,同时具备有些的光学性能,因此在军事领域与民用领域应用广泛。在民用领域,特别是微电子领域,蓝宝石作为电子元件的衬底材料有广阔的应用前景,而这对蓝宝石的低温连接技术提出了要求。蓝宝石化学性质极其稳定,且热膨胀系数与金属差距较大,因此难以形成界面反应且界面处易产生残余应力。本文研究了通过刮擦钎焊与超声热浸钎焊两种方式对蓝宝石进行低温连接的工艺,在此基础上通过对比分析的方式确定了不同界面过渡层结构对结合强度的影响。在刮擦钎焊条件下,钎料与蓝宝石直接接触,界面部位的结合主要依靠热浸过程。焊后对钎料-蓝宝石界面断口进行分析,断裂发生在钎料与蓝宝石之间,断口上发现有Ag/Al IMC组织析出。接头的力学性能与界面区域上Ag/Al IMC组织附着面积随着钎料Al元素含量提升与保温时间增加而提升,保温4h时剪切强度较高,平均15.5MPa,最高可达到18.7MPa。引入超声后,在超声热浸后的蓝宝石表面可观察到纳米尺寸的颗粒组织,根据TEM结果判断是非晶态Al2O3生成物反应层。接头强度提高,不保温情况下平均剪切强度达到21.7MPa。对通过超声热浸方式制备的接头进行保温,发现接头剪切强度下降,在保温4h后的断口钎料侧发现纳米颗粒组织。用Sn-3.5Ag共晶钎料替代Sn-3.5Ag-2Al钎料作为超声热浸试样的钎缝填充材料,发现接头剪切强度进一步提升,平均达到27.5MPa,剪切过程中断裂发生钎料内部,而非钎料与蓝宝石界面部位。说明界面处不存在Ag/Al IMC组织的情况下,钎料与蓝宝石表面非晶态Al2O3生成物层能实现更好的结合。分析不同工艺下得到的接头过渡层结构的物理模型,认为Sn Ag Al蓝宝石接头中对结合强度起主要作用的是钎料中Al富集区与蓝宝石表面的结合。同时提出界面处存在非晶Al2O3层接头强度较高主要是因为钎料中Al富集区与非晶Al2O3的结合能力较强。
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