微納薄層自蔓延焊接技術及其應用

王春艷

（廣州科技貿易職業學院 機電工程學院，廣州 511442）

微納薄層自蔓延焊接技術及其應用

王春艷

（廣州科技貿易職業學院 機電工程學院，廣州 511442）

為了使微納薄層自蔓延焊接技術在電子器件、陶瓷等特種連接領域得到更廣泛的應用，介紹了自蔓延焊接用多層膜材料國內外研究現狀，分析了影響其焊接應用的膜層結構、熱控工藝等關鍵因素。指出該焊接技術反應主體多層膜材料制備中存在的問題，并對微納薄層自蔓延焊接工藝適應性和科學意義進行了分析總結。分析表明，在該技術的焊接應用研究方面有必要進行制備技術針對性研究；反應機理認識與焊接實效追溯聯系尚未建立；還需就薄層自蔓延焊接質量與反應控制工藝進行更加充分的研究。

焊接；微納多層膜；自蔓延反應；陶瓷焊接；異種材料

1 概 述

在光電子制造、新能源、航空、航天部件、汽車零部件生產等重要應用領域，輕金屬、新合金、陶瓷、復合材料等新材料大量應用，給焊接技術帶來嚴峻挑戰。微納尺度多層材料自蔓延連接技術是近年來發展的一種新型焊接技術，其原理是利用微米至納米級尺度的多層膜材料在受外部能量激發條件下，發生瞬時自蔓延放熱反應[1-3]，直接或輔助形成對待焊材料的連接。

微納多層膜及其輔助焊接原理如圖1所示。該技術可以在各種環境（空氣、真空和水）下進行連接，能夠焊接陶瓷、金屬間化合物和非晶態金屬等難以使用常規方法焊接的材料，也可作為局部熱源焊接電子元器件、芯片、銅、鋁、金剛石和不銹鋼材質的微結構等。有研究表明[4]微納多層膜具有一種介于液態和固態之間的獨特性能，能夠顯著降低待焊材料的界面能，起到釬焊中類似焊劑的功能，該特性能夠提升不同材料界面之間的粘度和穩定性，非常適合用于異種或異質材料（如陶瓷與金屬、異種金屬等）焊接。

圖1 微納多層膜及其輔助焊接原理

微納多層膜自蔓延焊接優點突出，焊接過程能瞬態完成（ms級），可瞬間產生大量熱量（升溫速度106K/s），完成高熔點難熔合金焊接，只在引燃時需要極小能量，從而大幅度節約能源，過程對非熔合區熱影響極小，不易產生變形，焊接接頭耐腐蝕、耐老化，待連接組件不必全部加熱，熱暴露最小化；接頭具有高導熱/導電率特點，可實現室溫連接[5-7]。

針對受控微納尺度多層膜自蔓延反應控制機理和其在陶瓷、復合材料焊接中的應用基礎開展研究，解決自蔓延連接時工藝重現性低、界面熱失配或熱致裂紋、脫層等問題，在理論模型上解決非均態（結構因素致自蔓延反應波異動）自蔓延反應動力學中受激環境因素和膜層結構失配因素具體化引入的問題，得到焊接Al2O3陶瓷和Al基復合材料工藝。這些工作對微納多層膜自蔓延連接技術向電子信息、軍工、航天、航空等尖端科技領域推廣應用具有重要意義。

2 國內外研究現狀

利用微納多層膜材料的自蔓延反應熱進行連接的技術是從20世紀90年代發展起來的。美國的馬恩[8]和前蘇聯的學者[9]在1990年前后最早觀察到了在金屬和非晶硅多層膜及雙金屬多層膜體系中的自蔓延反應，以為此基礎20世紀90年代，學者們在美國申請了一批自蔓延反應微納多層膜相關專利 （如專利US 7687746、US 6031211、US 5538795等）。德國、俄羅斯、日本和烏克蘭等國學者也在同期開展了相關的研究工作[10-12]，主要集中于發現新的反應體系、制備工藝和自蔓延過程表征等，期間也有學者進行使用該技術進行焊接的研究[13-15]，但并未受到重視。

在進入21世紀后，歐美學者將Al/Ni等微納多層膜技術作為局部熱源成功應用到微連接、釬焊和擴散焊工藝中[16-18]，并開始通過產業公司（如Indium Ltd）推廣該技術，同期的俄羅斯和烏克蘭等國也開展了微納多層膜自蔓延連接相關研究工作[19-21]，將微納多層膜作為中間層材料用于瞬態液相擴散焊（TLP）技術中，成功實現了焊接陶瓷、復合材料、金屬間化合物和非晶等特殊材料，展現了該技術在電子信息、軍工、航天、航空等尖端科技領域廣泛的應用前景。

國內早期跟蹤了俄羅斯和烏克蘭相關的研究，在1999年以后才陸續開始相關焊接技術研究，南昌航空大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等單位陸續開展了用金屬多層膜自蔓延焊接技術研究[22-24]，這些研究集中于陶瓷、金屬、金屬間化合物的連接[25-27]，作為局部熱源針對微器件和微系統（MEMS）進行釬焊的工作幾乎沒有開展，同期大連理工、中南大學、山東大學等開展了制備微納多層膜的工藝研究[28-30]。

3 自蔓延焊接多層膜體系和特點分析

目前，研究過的可用于自蔓延連接的常見多層膜體系包括Al/Ni、Al/Ti、Al/Au、Ni/Ti、Al/Pd、Al/Zr、Al/Pt、Al/Co、Ti/a-Si 和 Nb/Si等，其中以Ti/Al系和Al/Ni系的研究和應用最為典型。

3.1 多層膜制備技術及存在問題

已經在開展的研究包括對微納多層膜制備方法和工藝、自蔓延反應機理和熱量控制等[31-33]，也開展了微納多層膜在陶瓷連接、MEMS硅片連接、金屬連接、異種材料連接等方面的應用研究。

然而對接頭性能的評價結果表明，影響連接質量和可靠性的因素，需要從微納多層膜自身的尺度，制備中形成的混合層、激發方式和連接工藝等眾多關聯方面尋找，目前該工藝在反應熱量管控、自蔓延動力學和接頭界面形成理論等方面尚未形成統一觀點，該技術的廣泛適用性和重要意義尚未被充分揭示。

微納多層膜多采用磁控濺射、電子束物理氣相沉積 （EBPVD）、機械軋制等方法制備，也有使用粉末混合后壓制的方法制備。EBPVD方法的沉積較高，而磁控濺射方法相對較低，機械扎制方法無法形成規則多層膜。磁控濺射方法制備納米多層膜成本較低，因此研究進行最多，但磁控濺射法在制備Ni、Fe等導磁元素層時，需要抑制濺射時因導磁引起的起輝現象。能用于沉積多層膜的基板包括Cu、Si、玻璃、可溶鹽等，從基板上剝離多層膜可以采用的方法包括利用多層膜與基板熱應力失配法剝離、也可通過將可溶解基板溶解剝離或使用藥劑進行剝離。從微納多層膜制備方法成熟度來說，已具備產業化生產條件。

3.2 多層膜自蔓延反應及結構因素對焊接的影響

微納多層膜的焊接適用性尚無明確統一界定，由于自蔓延反應是應用基礎，采用該技術直接焊接對象受到一定程度局限，只有在母材成分與微納多層膜反應產物互溶或易發生反應情況下才易形成接頭，若母材性質差異較大則只能以多層膜作為熱源借助釬料進行連接，研究中的直接焊接對象一般含有雙金屬微納多層膜中至少一種元素。所以針對Al合金、Ti合金、陶瓷等開展的焊接研究較多。

微納多層膜自蔓延焊接需要壓力和能量激發兩個重要條件，壓力的作用是加強焊接過程熔體流動和潤濕，接頭可靠性與施加的壓力也有密切關系。適當的壓力可以移除表面的氧化層；較好的濕潤待焊接表面。但是過大的壓力也可能會產生空隙并且減少了連接區的厚度。激發條件達到臨界值則啟動自蔓延反應，加熱速度和多層膜微結構尺寸決定了臨界值，其規律是雙金屬層厚度越小，激發越容易，反應也進行的越徹底。當激發條件不滿足或雙金屬層厚度較大時，會有不穩定的中間相生成，使自蔓延過程復雜化，對焊接過程產生不利影響[34-36]。常用的激發條件包括爐中加熱激發、電阻熱激發、定向火焰點燃及激光等高能束激發等，能夠適應不同應用情況下焊接自動激發的要求。

對自蔓延熱量釋放的控制是利用微納多層膜焊接的關鍵，因此需要綜合考量應用環境和焊接對象，進而選擇合適金屬體系。單個濺射膜層的設計一般參照發生完全自蔓延反應的原子比，通過密度折算成膜層的厚度。Al/Ni體系、Al/Pd體系、Ti/a-Si體系的熱量釋放較為劇烈，Al/Ti、Ni/Ti、Al/Co等體系的熱量釋放相對緩和，總結目前研究過的微納多層膜特點見表1。

表1 已經研究的各體系多層膜特點總結

3.3 自蔓延過程研究和接頭表征研究

研究者對與焊接過程關系密切的微納多層膜反應速度和反應放熱均進行了研究，證實了反應速度和反應放熱在一定程度上的可控性。對于AlNi、NiTi、TiAl等研究較多的多層膜，臨界激發能量、自蔓延反應速度和熱量釋放已可以通過計算確定，采用的研究方法主要是分子動力學模擬、擴散理論和熱力學等理論構建的微納多層膜反應模型，目前研究者針對反應速度和放熱與多層膜微觀結構的關系已建立了模型[37-38]，這些模型能夠反映微納薄膜的自蔓延產物生成熱焓、雙層膜厚度、雙層間混合區厚度和多層膜的周期數等因素對自蔓延反應程度和放熱量的影響，但是對多層膜的反應動力學和反應控制機制尚需要進一步的研究。

對微納多層膜自蔓延連接接頭界面的研究發現，多層膜在接頭中的存在有以下3種形式。

（1）當使用較厚的多層膜進行焊接時，焊接完成后多層膜的自身的層狀結構因反應而消失，反應產物與母材或釬料作用形成金屬間化合物為主的完整界面。

（2）焊接完成后多層膜反應產物在壓力作用下破碎并擴散，在焊接界面上留下不連續生成物嵌于兩側母材或釬料的熔合區域。

（3）多層膜反應產物向兩側擴散在熔合區域程梯度分布，作為整體的多層膜產物消失，成為接頭中的強化相。

不同的結果是由焊接工藝、微納多層膜和焊接母材結構決定的。在自蔓延焊接某些復合材料時，納米尺度多層膜的使用能夠形成幾乎無界面和無缺陷的連接，例如Al/Ni多層膜焊接Al+5%Mg+30%Al2O3等復合材料 （如圖2所示），目前尚沒有能夠清楚解釋原因。

圖2 Al+5%Mg+30%Al2O3復合材料Al/Ni微納多層膜自蔓延連接

多層膜自蔓延反應焊接需要對反應放出熱量以及熱量對接頭影響的精確控制，這樣才能滿足實際應用中穩定焊接質量的要求。

實際應用中微納多層膜自蔓延反應可能有產生氣孔傾向、反應速度不規律和不能充分燃燒等問題，給焊接工藝控制帶來困難，已有研究揭示了理想狀態下微納多層膜設計和焊接工藝應用的要求，對多層膜自蔓延焊接技術研究有一定指導意義，但在實際應用中尚需要構建更為具體和符合實際應用的模型來指導具體領域中的具體焊接案例，目前還缺乏這方面的相關工作。

4 科學意義及應用前景

微納多層膜可作為熱源植入釬料之間焊接陶瓷、硅片、金屬等材料，已有研究表明可以用來焊接的材料包括不銹鋼、銅、鋁合金、鈦合金、硅、貴金屬、金剛石、塑料、Al2O3陶瓷等，能顯著改善接頭強度、減小熱致變形，這些材料在精密機械、電子器件、汽車零件、航空航天、新能源裝備等尖端科技領域大量應用。

微納多層膜作為焊料能直接焊接合金和非晶等材料，還能充當瞬態液相擴散焊（TLP）的中間層來焊接部分陶瓷、復合材料和金屬間化合物等。在焊接非晶材料時由于其超高的放熱速度和瞬時溫度（能夠控制高于非晶合金的熔化溫度）可以保證接頭完全非晶化；在焊接高溫合金時能夠顯著降低焊接溫度并縮短焊接時間，能夠應用于陶瓷與金屬之間的異種材料連接，其突出優點是通過獲得梯度過渡層、能實現高強度的連接。

微納多層膜可應用于電子封裝等微系統/微結構（MEMS）中連接硅片或電子元件，實現其他焊接方法難以完成的室溫焊接高溫使用的效果，作為局部熱源能克服傳統回流焊等技術需要微結構整體過爐加熱至釬料熔點的缺點，提高焊接工藝的靈活性，同時能夠避免使用有毒性的助焊劑。

在特定條件下通過微納尺度多層膜自蔓延結合擴散焊工藝，能得到微細界面接頭，從結構完整角度來說，最理想的焊接是沒有界面的接頭。針對微納多層膜自蔓延連接的特殊現象，從理論上研究和探討材料理想接頭的形成條件，豐富界面科學和連接理論，對焊接理論發展有重要意義。

在確定的焊接結構和形式條件下，加壓和激發措施可以很容易通過自動化工藝實現，因此該技術適合具有標準化流程的自動化生產應用。微納薄層輔助自蔓延連接技術擁有諸多優點，在解決現有工藝控制問題的基礎上，能在尖端科技領域急需的特殊材料連接領域發揮更大的作用。

5 結 論

（1）微納多層膜制備技術的研究已多有報道，但其焊接應用研究方面的研究進行有限，適合焊接應用的多層膜在結構上有特殊要求，因此有必要進行制備技術針對性研究。

（2）由于多層膜體系眾多且具備不同特點，使多層膜自蔓延焊接技術使用面臨不同挑戰，也限制了該技術的適應性和通用性。

（3）針對Al/Ni等常用體系多層膜自蔓延反應過程已有大量研究，但對于反應機理與焊接質量關系研究并不充分，尚未能就焊接質量與反應控制工藝進行充分探討，反應機理認識與焊接實效追溯聯系尚未建立。

（4）多層膜自蔓延焊接技術可望在特種連接領域推廣應用，尤其針對高溫合金、陶瓷-金屬、非晶等非常規材料連接中能夠起到特殊作用，在電子器件連接中配合釬料能夠實現熱敏部件瞬態連接、低溫焊高溫使用等特種工藝應用。

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Micro-nano Thin Layer Self-propagating Welding Technology and Its Application

WANG Chunyan
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Guangzhou Vocational College of Technology&Business,Guangzhou 511442,China）

In order to make the micro-nano thin layer self-propagating welding technology get more extensive application in some special connection fields,such as electronic component,ceramic materials and so on.In this article,it introduced the research status of the multilayer film material used for self-propagating welding,and analyzed several key factors of affecting welding application,including film structure,thermal controlling technology etc.It pointed the existed problems in multilayer film preparation,and summarized the adaptation and scientific significance of micro-nano thin layer self-propagating welding technology.The results indicated that it is necessary to carry out preparation technology targeted research in the aspect of welding application;Reaction mechanism and the actual effect retrospect contact has not been established;Still need to conduct more full research for thin layer self-propagating welding and reaction control technology.

welding；micro-nano multilayer film;self-propagating reaction;ceramic welding;dissimilar materials

TG401

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.007

王春艷 （1981—），女，湖南邵陽人，碩士，主要進行材料加工方面的研究。

2015-09-02

黃蔚莉