活性金屬填料硬銲法

活性金屬填料硬銲法是未經過任何金屬化的處理而直接陶瓷與 金屬接合其接合表面。其接合的中間填料為活性金屬填料，利用活性 金屬填料中的活性元素與陶瓷產化學反應並增加熔融填料在反應生 成物的潤溼能力。此種製程上僅一步驟，使金屬與陶瓷的接合更加方

便。其中間層的活性金屬填料的控制有幾個必要的因素：

1.熔點或是熔化區間必須在基材的固相線之下。

2.在接合時的流動性依靠著毛細現象分佈在接合面上，不會隨意的 滲透到基材。

3.均勻的組成有助於在填料凝固時組織的偏析減到最小。

4.熱力學上的相容性有助於提升金屬表面的潤溼。

5.限制易脆相(介金屬化合物)的生成。

6.接合時的溫度、荷重、環境及接合時間的綜合考量。

活性填料的銲接溫度約在 700 ~1000℃ ℃，依照成分可分為兩大 類：Cu-X 及 Ag-Cu-X 合金，Ｘ為鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)，通常與鎳、

鈹、釩、錫、銦混合成合金調整填料的活性並降低熔點增加填料的流 動性等作用。例如在銀中加入微量的鈦來增加合金的活性，並增加在 陶瓷基材的分佈性。而且，鈦在銅中有很高的溶解度，但在銀中會與 銀產生共晶反應而使鈦含量減小，而產生了 Ag-Cu-Ti 的陶瓷／金屬 硬銲填料。其它像銅基的填料，金、鎳、鉬、鉻、釩和鉛等活性金屬，

且其熔點位在較高的溫度(約 1000 )℃ ，（表 2-4）Wesgo 商用硬銲填 料。本實驗是採用較高熔點的 Au-Ni 及 Au-Ni-X 合金作為研究對 象。

表2-4 Wesgo Inc. 商用硬銲填料

2.2.3 金基活性銲料

陶瓷接合用硬銲填料一般性能要求如下：

1.銲料應具有足夠低的蒸氣壓：為保證獲得真緻密之連接，銲料 中不應含有蒸氣壓高的元素，如 Zn、Cd、Bi、Mg、Li 等，否 則在器件的製造上或使用過程中，高蒸氣壓的元素會因加熱而 在真空室內蒸發並沉積到較冷的零件上產生電介質漏電，陽極 中毒等現象，從而縮短器件壽命，甚至完全損壞。一般認為器 件工作時，銲料蒸氣壓不宜超過 1×10^-5Pa，銲料中各種高蒸氣

壓雜質的含量應控制在 0.002~0.005%之間。

硬銲用之金基銲料具有良好之性質，唯金的材料成本昂貴，因而 限制了其在工業中的大量使用。隨著電子工業、真空技術、原子能裝 置、飛機及火箭用的噴氣發動機、航太裝置等新結構材料研發，金基 銲料的應用範圍變得更爲廣泛。金基銲料的性質要求主要是濕潤性 能、銲接的強度、耐熱性、耐蝕性、濺射性等特性。金-銅銲料的主 要用於銲接波導管、積體電路、半導體電子管、無線電設備、真空儀 錶。金銅共晶合金流動性好，充填小縫隙的能力強，對銅、鐵、鎳、

鋁、錳、鎢等金屬及合金都有很好的潤濕性與銲接金屬有節制的相互 間的化學作用，不破壞銲接界面尺寸，不造成銲接件強度下降。當銲 接真空硬銲時，在低氣壓下金銅銲料不會出現任何問題。

硬銲的零部件時使用共晶或接近共晶的金鎳焊料，圖 2-5 為金-鎳二元相圖[20]，具有良好的銲接界面及抗潛變的穩定性。本研究中 主要選用以金鎳為主體的銲料及添加對陶瓷具有良好潤濕性之活性 金屬鈦、釩的活性金屬硬銲填料為研究對象。

Atomic Percent Nickel

Au Ni

Weight Percent Nickel

S

產生氫脆的問題及高溫下使用的潛在危險性。因此在本實驗中我們採

Swalin[22]所提出的，從熱力學的觀點：若H和S為定值，則 Gibbs free energy 可被寫成

G=a-bT (2.2.1) 又因界面的產生需要功，可寫成dW=γdA，由熱力學第一定律 dE=dQ-dW，在可逆反應下 dQ=TdS。帶入公式可得 dE=TdS+γdA，

又H=E+PA，則可得 dH=dE+PdV+VdP，在定體積及定壓下 dH=dE，

由Gibbs free engery G=H-TS 可寫成 dG=dH-TdS-SdT，綜合以上各式 可得dG=γdA，則γ= A ：interfacial area

γ ：surface tension extrapolated to absolute zero temperature

故當溫度升高時表面張力變小，潤溼性增加。但是，過高的溫度會使

銲料發生相分離或者是使銲物產生較高熱應力，對於銲物的使用壽命

陶瓷／金屬的接合強度要視中間層的組成組微結構而定，當界面 金屬化合物沿著反應層生成一層薄狀的膜時，會致使接合強度大大的 減低。表面上的有機物及雜質顆粒於銲接時接合在一起就可能產生反 應層的缺陷。接合面上的不連續所產生局部應力使得裂痕生成及成 長。陶瓷容易受到微裂縫及高局部應力所影響。在冷卻時，陶瓷部分 的張應力並不會阻止裂縫的成長及生成。此外，氧化層厚度的控制需 要非常的小心。通常脆性的發生，是由反應氧化層所造成對機械強度 的影響。接合強度測試包含拉伸、彎曲及剪力試驗如圖2-6。

圖(a)拉伸試片,(b)三點彎曲試驗,(c)四點彎曲試驗,(d)平板剪力試 驗,(e)圓柱的剪力試驗。

圖 2-6 各種接合強度測試

殘留應力的發生通常為熱膨脹係數的差異和材料彈性摩數的差

圖2-7 試片示意圖

σ

b ：three-point flexural strength (kgf/mm2) {N/ mm2}

P ：maximum load at break of test piece (kgf) {N}

L ：distance between lower supporting points(mm) b ：width of test piece (mm)

標準差公式： n ：number of measurements

X ：calculated value of flexural strength of individual test piece (kgf/mm²) {N/ mm²}

構材料，1973 年石油危機爆發後，能耐高溫、高負荷、腐蝕性、耐 磨耗等嚴苛環境考驗的結構材料開始倍受重視。以共價鍵合的碳化矽 陸續在各先進國競相被研究開發，並且成為渦輪引撆的主要材料之 一。目前已廣泛應用機械軸封、各式噴嘴、閥類、幫浦內襯、軸承、

半導體熱處理管、煉鋼用治工具以及金屬基複合材料。

碳化矽之主要特性是其性能穩定性，無論是耐熱性、耐蝕性、耐 潛變性均可說是”陶瓷中之陶瓷”。除非在 2800℃以上的溫度才會分 解為 Si 和 C，以及在熔融鹽類中有少許的腐蝕現象發生（在相同條 件大多數之陶瓷材料已發生少許的腐蝕現象），850℃以上的氧化氣 氛中的微氧化現象發生（在相同條件下其他非氧化物已發生嚴重氧化 現象）之外，可說是極端穩定的材料。除了耐熱性、耐蝕性、耐潛變 性之外，碳化矽的高硬度、高剛性、高導熱性、高溫高強度等特性，

已廣泛應用在研磨材、切削工具、耐火材、表面被覆材及高溫發熱體。

碳化矽的性質並不能以成分決定一切，而是主要取決於其微結構 之組成，(表2-5)為平均粒徑在1um以下商品化α-碳化矽特性表。

表2-5 商品化α-碳化矽特性表

3.02 0 10^-1~10²

~1350

Elastic Modulus RT 370

[GPa] 800 [℃] 360

1200 [℃] 340

Flexural Strength RT 290

(3 point) 800 [℃] 300

[MPa] 1200 [℃] 270

Thermal Conductivity RT 220

[W/mK] 700 [℃] 50

Coefficient of Thermal Expansion [100-1100℃, Average] [1/℃]

Density [g/cm³] Ni-Fe 系合金，屬特殊膨脹係數合金，其主要成份為 Ni 29%、Co17%、

Fe 53.48%、Mn0.3%、Si0.2%、C0.02%Max，為一熔煉而成的合金材 料。由於低膨脹係數可用在陶瓷、玻璃之密封（Seal）和承載（Carrier）； 各種性質如下：

（1） 熱膨脹性（Thermal Expansion Properties）：

212 100 3.25 5.86

392 200 2.89 5.20

572 300 2.85 5.13

752 400 2.81 5.06

932 500 3.41 6.16

1112 600 4.34 7.80

1292 700 5.06 9.12

1472 800 5.73 10.31

1662 900 6.25 11.26

Temperature Coefficient

（2） 磁特性（Magnetic Properties）：

KOVAR 材料在居里溫度（Curie Point）以下均有磁性。其磁特 性依熱處理而定，硬度越低則透磁性（permeability）越高、磁 滯損失（hysteresis loss ）越低。磁通密度特性如（表 2-7）所 示。

表2-7 KOVAR 之磁通密度

500 1000 1900

1000 1400 3500

2000 2000 5800

5000 2300 10000

10000 3400 8200

12000 3000 5000

（3） 物理性質（Physical Properties）：

表 2-8 為 KOVAR 之物理性質。

Specific gravity 8.36 Density -- lb/in³

（4） 機械性質（Mechanical Properties）：

表2-9 之數據為 KOVAR 材料經退火處理(加溫至 990℃，保持 30 分鐘後爐冷)而得到的機械性質。

表2-9 KOVAR 之機械性質

Hardness, Rockwell B 68

Elongationε,% 30 Modulus of elasticity

psi

^╳

10

⁶

三 研究方法及步驟 3.1 實驗流程

本研究目的在接合強度的部份對不同之製程 SiC（CVDSiC 及 熱壓燒結SiC — SiC-U）使用活性硬銲填料與 Kovar (Fe-Co-Ni 合金) 在真空硬銲後針對其兩種製程之 SiC 分別探討其機械性質與顯微組 織，進行一系列研究分析，實驗流程如圖3-1 所示。

圖 3-1 研究流程圖

銲料製備 母材製備

示熱差分析

真空硬銲

界面結構分析 機械性質分析

SEM 組織觀察

EDS 成份分析

三點抗彎試驗

破斷結構分析

EDS 成份分析 SEM 組織觀察 SEM 組織觀察

SEM 組織觀察

3.2 實驗材料

% 0.003 0.246 0.096 29.42 0.01 17.2 <0.005 Bal.

表3-2 熱壓燒結 SiC 化學成份表 Element [ppm]

Fe Ni Na K Mg Ca Cr Mn Zn Cu Ti V Al SI-U 2~4 <2 <0.5 <0.5 <0.1 5 0.3 <0.1 <0.1 <0.1 <3 <3 25

3.2.2 銲料準備

本研究使用銲料為 Au-Ni (82%Au 及 18%Ni)硬銲填料以及具活 性元性之Au-Ni-Ti (96.4%Au、3%Ni 及 0.6%Ti)和 Au-Ni-V(97.5%Au、

0.75%Ni 及 1.75%V)活性硬銲填料，填料厚度為 50um，真空硬銲前 將填料切割成適當尺寸後，使用丙酮以超音波震盪清洗各 10 分鐘，

並以氮氣吹乾，以確保無污染物殘留。

3.3 實驗步驟

及Step2 的溫度如（表 3-3）。硬銲過程中，真空度為 10^-5Torr。

圖3-2 真空銲接爐 中國砂輪提供

夾具本體 SiC 銲料 Kovar

圖 3-3 真空銲接夾具示意圖

temp^oC

step2 step1

爐冷

time(min)

10min 40min

圖 3-4 硬銲升溫曲線 step1 及 step2 參考表 3-3

表3-3 各銲料的 step1 及 step2 的溫度 (單位 ^oC)

銲料 液相點溫度 固相點溫度 step1 step2

Au-18Ni 955 955 940 980

Au-3Ni-0.6Ti 1030 1003 995 1040

Au-0.75Ni-1.75V 1090 1045 1040 1100

3.3.3 三點彎曲實驗

將銲接後之陶瓷/Kovar 合金試片置於跨距式三點抗彎強度測試的 治具上，如圖 3-5 所示，以 MTS 型萬能材料試驗機進行抗彎強度試 驗，試驗進行中配合個人電腦(PC)將相關試驗資料儲存並列印，利用

材料力學中簡支樑於中央位置承受一集中負荷時的樑內應力分析原 理，可得中心點所承受最大應力其公式如下：

bh P 2

L 3

= 2

σ (3.3.1)

式中L為跨距，b為樑寛，h為樑高，P為三點彎曲測試中承受的最大負 荷，σ為樑內最大抗彎應力。

其三點式彎曲測試方法具有簡單、易於使用、受試片邊緣缺陷影響程 度較四點式彎曲測試來得低等優點，更重要的是可以利用材料力學樑 內應力分析基礎理論迅速的計算出試片彎強度，故在本實驗中選定三 點式彎曲測試作為進實驗分析的方法。在完成三點式彎曲測後，將試 片的破斷面使用掃描式電子顯微鏡觀察其破壞模式，並進行成份分析 以了解其破裂狀態。

25mm 水與酒精洗淨並烘乾後，再以掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)，觀察其銲道及母材等區域附近之微觀組織，此外，

以掃描式電子顯微鏡附設之能量散佈分析儀(Energy Dispersive

Spectrometer，EDS)進行異種材料接合試片之成份分析，以定量分析 量測不同組織之成份差異，以Line Scan 方式進行定性分析以量測成 份分佈狀態，並與顯微組織及機械性質測試結果進行綜合討論。

四、實驗結果與討論 4.1 硬銲填料性質分析

本研究為探討 SiC 陶瓷和 Kovar 合金接合性質所選用之 Au-Ni 合 金 系 列 硬 銲 填 料 主 要 為 Au-18Ni 、 Au-3Ni-0.6Ti 以 及

本研究為探討 SiC 陶瓷和 Kovar 合金接合性質所選用之 Au-Ni 合 金 系 列 硬 銲 填 料 主 要 為 Au-18Ni 、 Au-3Ni-0.6Ti 以 及

在文檔中 金基填料對碳化矽陶瓷與金屬接合之研究 (頁 29-0)