AlCu0.5/6061Al低温扩散焊接工艺及界面物相转变行为研究

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铝合金凭借其电导率高,抗电化学腐蚀能力强,易于加工、沉积和光刻以及易与底层半导体形成良好的欧姆接触等优势已经成为了集成电路互连线的重要原材料。而高纯铝合金靶材作为铝互连线的重要配套材料,主要分为功能性的靶坯和结构性的背板组成,靶坯与背板的连接成为靶材制造过程中重要的一环。扩散焊接作为一种固相连接方式,焊接精度高,焊接质量好等特点使得其在靶材的连接中独具优势,而实现高纯A1合金的低温扩散焊接有利于保证靶材的功能性。本文以AlCu0.5合金和6061Al合金作为研究对象,采用了电镀Ni层和电镀Ag层作为中间层进行了低温扩散焊接工艺试验,要求焊接强度在20 MPa以上。分别利用超声C扫、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和背散射衍射(EBSD)对AlCu0.5的晶粒尺寸、结合界面的焊合率、界面主要元素的扩散情况进行表征并对焊接接头的力学性能进行了测试。分析了不同的焊接温度和不同的保温时间对焊接接头性能的影响。研究表明:焊接温度和保温时间对于焊后AlCu0.5合金的晶粒尺寸均有显著的影响。在P=120MPa,t=4h的工艺条件下,在T=250℃~280℃时,AlCu0.5的平均晶粒尺寸均保持在33μm左右,且晶粒尺寸分布与焊接前相比均无明显的变化。但当温度升高到295℃时,平均晶粒尺寸增加到46 μm,且出现了异常粗大的晶粒,晶粒尺寸均匀性明显变差。在T=280℃,P=120 MPa的工艺条件下,保温时间对晶粒尺寸的影响表现出相同的趋势,当保温时间延长至12 h时,晶粒才开始出现显著的长大,平均晶粒尺寸增加至42 μm。采用电镀Ni层作中间层时,接头界面处没有出现明显的反应层和金属间化合物。随着焊接温度的升高,界面处的残余Ni层随着扩散程度的加深而逐渐减薄,但连接界面处始终存在未焊合的缝隙,焊合率较低,焊接接头的强度也较低。当T=310℃,P=120 MPa,t=4h时,接头的拉伸强度仅为1 MPa,此时的焊合率为73.4%。采用电镀Ag作中间层时,在不同的焊接温度和保温时间下,界面处除了残余的中间层外均未出现明显的扩散反应层。随着焊接温度的升高,中间层的厚度逐渐减薄,焊合率和力学性能也逐步提高。当T=310℃,P=120 MPa,t=4 h时,焊接接头的焊合率达到了 98.7%,接头的拉伸强度高达26.7 MPa。随着保温时间的延长,焊接接头的抗拉强度先呈现出增长的趋势。当T=280℃,P=120 MPa,t=10 h时,焊接强度最大,达到22.3 MPa。此时保温时间进一步延长,Ag/Ni界面处会出现柯肯达尔孔洞导致力学性能下降。
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