蓝宝石低温超声钎焊工艺及界面形成机理

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1、硕士学位论文蓝宝石低温超声钎焊工艺及界面形成机理MECHANISMOFINTERFACIALFORMATIONANDPROGRESSOFULTRASONICAIDEDSOLDERINGOFSAPPHIRE李丹丹哈尔滨工业大学2014年7月万方数据国内图书分类号：TG454学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学硕士学位论文蓝宝石低温超声钎焊工艺及界面形成机理硕士研究生：李丹丹导师：闫久春教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2014年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据Class

2、ifiedIndex:TG454U.D.C:621.791DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMECHANISMOFINTERFACIALFORMATIONANDPROGRESSOFULTRASONICAIDEDSOLDERINGOFSAPPHIRECandidate:LiDandanSupervisor:Prof.YanJiuchunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsProcessingEngineeri

3、ngAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:July,2014Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要蓝宝石作为一种光学材料，具有耐磨损、耐腐蚀、耐辐射等优点，在光学器件及半导体器件中的应用越来越广泛。针对目前蓝宝石连接存在难反应、难润湿、残余应力大等问题，本文提出了一种用含有Al的Sn基钎料超声波辅助钎焊蓝宝石的方法，研究了超声波作用下蓝宝石/

4、钎料界面结合机理，分析了接头组织形貌及断口特征，探索了合适的蓝宝石低温钎焊工艺。研究发现，在230℃超声波作用下SnZnAl能和蓝宝石形成可靠结合。SEM分析发现，SnZnAl/蓝宝石界面处有一层化合物形成。TEM分析表明这层化合物是α-Al2O3纳米晶(nano-crystallineα-Al2O3layer-NCAL)，在超声作用1000s时这层化合物厚度约为100nm。分析认为，该NCAL层是由超声作用下钎料中的Al发生氧化反应生成。270℃下用SnAgCuAl超声钎焊蓝宝石时，在蓝宝石/钎料界面处也观察到有一层Al2O3生成，Al2O3是

5、连接蓝宝石和钎料的过渡层。随着超声处理时间的延长，界面反应产物的数量增加。超声波促进界面反应的同时也促进钎料中的Al向界面处扩散，焊缝内部微区成分分析表明靠近界面处钎料中Al的含量高于远离界面钎料中Al的含量。对剪切断口进行分析发现，生成的Al2O3与蓝宝石的结合强于Al2O3与钎料的结合，断裂发生在Al2O3与钎料的结合处。力学性能测试结果表明，随着超声作用时间的增长接头剪切强度提高，最高强度为57MPa。180℃下用SnBiAl实现了蓝宝石在更低温度下的连接，剪切强度最高可达28MPa。随超声波作用时间增长，界面附近Al的氧化加剧，界面处生成

6、的Al2O3增多，使界面的粗糙度增大，提高了接头的力学性能。断口分析发现，断裂同样发生在Al2O3与钎料的结合处，超声作用时间增长断口蓝宝石一侧残留的Bi增多，从侧面可以说明超声时间延长使钎料与蓝宝石结合得更好，强度提高。关键词：超声波；蓝宝石；钎焊；NCAL；界面反应-I-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsakindofopticalmaterial,sapphireiswidelyusedinopticaldevicesandsemiconductordeviceswithmeritsofbeingresistantt

7、oabrasion,corrosion,radiationandsoon.Consideringtheproblems,hardtoreactionandwetting,largeresidualstress,etc.,insapphireconnection,amethodofweldingsapphireassistedbyultrasonicwithSn-basedsoldercontainingaluminumatalowtemperaturewasproposed.Thebondingmechanismofsapphire/solder

8、interfacewiththeactionofultrasonic,jointmicrostructureandfracturecha