微纳薄层自蔓延焊接技术及其应用

王春艳

（广州科技贸易职业学院 机电工程学院，广州 511442）

微纳薄层自蔓延焊接技术及其应用

王春艳

（广州科技贸易职业学院 机电工程学院，广州 511442）

为了使微纳薄层自蔓延焊接技术在电子器件、陶瓷等特种连接领域得到更广泛的应用，介绍了自蔓延焊接用多层膜材料国内外研究现状，分析了影响其焊接应用的膜层结构、热控工艺等关键因素。指出该焊接技术反应主体多层膜材料制备中存在的问题，并对微纳薄层自蔓延焊接工艺适应性和科学意义进行了分析总结。分析表明，在该技术的焊接应用研究方面有必要进行制备技术针对性研究；反应机理认识与焊接实效追溯联系尚未建立；还需就薄层自蔓延焊接质量与反应控制工艺进行更加充分的研究。

焊接；微纳多层膜；自蔓延反应；陶瓷焊接；异种材料

1 概 述

在光电子制造、新能源、航空、航天部件、汽车零部件生产等重要应用领域，轻金属、新合金、陶瓷、复合材料等新材料大量应用，给焊接技术带来严峻挑战。微纳尺度多层材料自蔓延连接技术是近年来发展的一种新型焊接技术，其原理是利用微米至纳米级尺度的多层膜材料在受外部能量激发条件下，发生瞬时自蔓延放热反应[1-3]，直接或辅助形成对待焊材料的连接。

微纳多层膜及其辅助焊接原理如图1所示。该技术可以在各种环境（空气、真空和水）下进行连接，能够焊接陶瓷、金属间化合物和非晶态金属等难以使用常规方法焊接的材料，也可作为局部热源焊接电子元器件、芯片、铜、铝、金刚石和不锈钢材质的微结构等。有研究表明[4]微纳多层膜具有一种介于液态和固态之间的独特性能，能够显著降低待焊材料的界面能，起到钎焊中类似焊剂的功能，该特性能够提升不同材料界面之间的粘度和稳定性，非常适合用于异种或异质材料（如陶瓷与金属、异种金属等）焊接。

图1 微纳多层膜及其辅助焊接原理

微纳多层膜自蔓延焊接优点突出，焊接过程能瞬态完成（ms级），可瞬间产生大量热量（升温速度106K/s），完成高熔点难熔合金焊接，只在引燃时需要极小能量，从而大幅度节约能源，过程对非熔合区热影响极小，不易产生变形，焊接接头耐腐蚀、耐老化，待连接组件不必全部加热，热暴露最小化；接头具有高导热/导电率特点，可实现室温连接[5-7]。

针对受控微纳尺度多层膜自蔓延反应控制机理和其在陶瓷、复合材料焊接中的应用基础开展研究，解决自蔓延连接时工艺重现性低、界面热失配或热致裂纹、脱层等问题，在理论模型上解决非均态（结构因素致自蔓延反应波异动）自蔓延反应动力学中受激环境因素和膜层结构失配因素具体化引入的问题，得到焊接Al2O3陶瓷和Al基复合材料工艺。这些工作对微纳多层膜自蔓延连接技术向电子信息、军工、航天、航空等尖端科技领域推广应用具有重要意义。

2 国内外研究现状

利用微纳多层膜材料的自蔓延反应热进行连接的技术是从20世纪90年代发展起来的。美国的马恩[8]和前苏联的学者[9]在1990年前后最早观察到了在金属和非晶硅多层膜及双金属多层膜体系中的自蔓延反应，以为此基础20世纪90年代，学者们在美国申请了一批自蔓延反应微纳多层膜相关专利 （如专利US 7687746、US 6031211、US 5538795等）。德国、俄罗斯、日本和乌克兰等国学者也在同期开展了相关的研究工作[10-12]，主要集中于发现新的反应体系、制备工艺和自蔓延过程表征等，期间也有学者进行使用该技术进行焊接的研究[13-15]，但并未受到重视。

在进入21世纪后，欧美学者将Al/Ni等微纳多层膜技术作为局部热源成功应用到微连接、钎焊和扩散焊工艺中[16-18]，并开始通过产业公司（如Indium Ltd）推广该技术，同期的俄罗斯和乌克兰等国也开展了微纳多层膜自蔓延连接相关研究工作[19-21]，将微纳多层膜作为中间层材料用于瞬态液相扩散焊（TLP）技术中，成功实现了焊接陶瓷、复合材料、金属间化合物和非晶等特殊材料，展现了该技术在电子信息、军工、航天、航空等尖端科技领域广泛的应用前景。

国内早期跟踪了俄罗斯和乌克兰相关的研究，在1999年以后才陆续开始相关焊接技术研究，南昌航空大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等单位陆续开展了用金属多层膜自蔓延焊接技术研究[22-24]，这些研究集中于陶瓷、金属、金属间化合物的连接[25-27]，作为局部热源针对微器件和微系统（MEMS）进行钎焊的工作几乎没有开展，同期大连理工、中南大学、山东大学等开展了制备微纳多层膜的工艺研究[28-30]。

3 自蔓延焊接多层膜体系和特点分析

目前，研究过的可用于自蔓延连接的常见多层膜体系包括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系的研究和应用最为典型。

3.1 多层膜制备技术及存在问题

已经在开展的研究包括对微纳多层膜制备方法和工艺、自蔓延反应机理和热量控制等[31-33]，也开展了微纳多层膜在陶瓷连接、MEMS硅片连接、金属连接、异种材料连接等方面的应用研究。

然而对接头性能的评价结果表明，影响连接质量和可靠性的因素，需要从微纳多层膜自身的尺度，制备中形成的混合层、激发方式和连接工艺等众多关联方面寻找，目前该工艺在反应热量管控、自蔓延动力学和接头界面形成理论等方面尚未形成统一观点，该技术的广泛适用性和重要意义尚未被充分揭示。

微纳多层膜多采用磁控溅射、电子束物理气相沉积 （EBPVD）、机械轧制等方法制备，也有使用粉末混合后压制的方法制备。EBPVD方法的沉积较高，而磁控溅射方法相对较低，机械扎制方法无法形成规则多层膜。磁控溅射方法制备纳米多层膜成本较低，因此研究进行最多，但磁控溅射法在制备Ni、Fe等导磁元素层时，需要抑制溅射时因导磁引起的起辉现象。能用于沉积多层膜的基板包括Cu、Si、玻璃、可溶盐等，从基板上剥离多层膜可以采用的方法包括利用多层膜与基板热应力失配法剥离、也可通过将可溶解基板溶解剥离或使用药剂进行剥离。从微纳多层膜制备方法成熟度来说，已具备产业化生产条件。

3.2 多层膜自蔓延反应及结构因素对焊接的影响

微纳多层膜的焊接适用性尚无明确统一界定，由于自蔓延反应是应用基础，采用该技术直接焊接对象受到一定程度局限，只有在母材成分与微纳多层膜反应产物互溶或易发生反应情况下才易形成接头，若母材性质差异较大则只能以多层膜作为热源借助钎料进行连接，研究中的直接焊接对象一般含有双金属微纳多层膜中至少一种元素。所以针对Al合金、Ti合金、陶瓷等开展的焊接研究较多。

微纳多层膜自蔓延焊接需要压力和能量激发两个重要条件，压力的作用是加强焊接过程熔体流动和润湿，接头可靠性与施加的压力也有密切关系。适当的压力可以移除表面的氧化层；较好的湿润待焊接表面。但是过大的压力也可能会产生空隙并且减少了连接区的厚度。激发条件达到临界值则启动自蔓延反应，加热速度和多层膜微结构尺寸决定了临界值，其规律是双金属层厚度越小，激发越容易，反应也进行的越彻底。当激发条件不满足或双金属层厚度较大时，会有不稳定的中间相生成，使自蔓延过程复杂化，对焊接过程产生不利影响[34-36]。常用的激发条件包括炉中加热激发、电阻热激发、定向火焰点燃及激光等高能束激发等，能够适应不同应用情况下焊接自动激发的要求。

对自蔓延热量释放的控制是利用微纳多层膜焊接的关键，因此需要综合考量应用环境和焊接对象，进而选择合适金属体系。单个溅射膜层的设计一般参照发生完全自蔓延反应的原子比，通过密度折算成膜层的厚度。Al/Ni体系、Al/Pd体系、Ti/a-Si体系的热量释放较为剧烈，Al/Ti、Ni/Ti、Al/Co等体系的热量释放相对缓和，总结目前研究过的微纳多层膜特点见表1。

表1 已经研究的各体系多层膜特点总结

3.3 自蔓延过程研究和接头表征研究

研究者对与焊接过程关系密切的微纳多层膜反应速度和反应放热均进行了研究，证实了反应速度和反应放热在一定程度上的可控性。对于AlNi、NiTi、TiAl等研究较多的多层膜，临界激发能量、自蔓延反应速度和热量释放已可以通过计算确定，采用的研究方法主要是分子动力学模拟、扩散理论和热力学等理论构建的微纳多层膜反应模型，目前研究者针对反应速度和放热与多层膜微观结构的关系已建立了模型[37-38]，这些模型能够反映微纳薄膜的自蔓延产物生成热焓、双层膜厚度、双层间混合区厚度和多层膜的周期数等因素对自蔓延反应程度和放热量的影响，但是对多层膜的反应动力学和反应控制机制尚需要进一步的研究。

对微纳多层膜自蔓延连接接头界面的研究发现，多层膜在接头中的存在有以下3种形式。

（1）当使用较厚的多层膜进行焊接时，焊接完成后多层膜的自身的层状结构因反应而消失，反应产物与母材或钎料作用形成金属间化合物为主的完整界面。

（2）焊接完成后多层膜反应产物在压力作用下破碎并扩散，在焊接界面上留下不连续生成物嵌于两侧母材或钎料的熔合区域。

（3）多层膜反应产物向两侧扩散在熔合区域程梯度分布，作为整体的多层膜产物消失，成为接头中的强化相。

不同的结果是由焊接工艺、微纳多层膜和焊接母材结构决定的。在自蔓延焊接某些复合材料时，纳米尺度多层膜的使用能够形成几乎无界面和无缺陷的连接，例如Al/Ni多层膜焊接Al+5%Mg+30%Al2O3等复合材料 （如图2所示），目前尚没有能够清楚解释原因。

图2 Al+5%Mg+30%Al2O3复合材料Al/Ni微纳多层膜自蔓延连接

多层膜自蔓延反应焊接需要对反应放出热量以及热量对接头影响的精确控制，这样才能满足实际应用中稳定焊接质量的要求。

实际应用中微纳多层膜自蔓延反应可能有产生气孔倾向、反应速度不规律和不能充分燃烧等问题，给焊接工艺控制带来困难，已有研究揭示了理想状态下微纳多层膜设计和焊接工艺应用的要求，对多层膜自蔓延焊接技术研究有一定指导意义，但在实际应用中尚需要构建更为具体和符合实际应用的模型来指导具体领域中的具体焊接案例，目前还缺乏这方面的相关工作。

4 科学意义及应用前景

微纳多层膜可作为热源植入钎料之间焊接陶瓷、硅片、金属等材料，已有研究表明可以用来焊接的材料包括不锈钢、铜、铝合金、钛合金、硅、贵金属、金刚石、塑料、Al2O3陶瓷等，能显著改善接头强度、减小热致变形，这些材料在精密机械、电子器件、汽车零件、航空航天、新能源装备等尖端科技领域大量应用。

微纳多层膜作为焊料能直接焊接合金和非晶等材料，还能充当瞬态液相扩散焊（TLP）的中间层来焊接部分陶瓷、复合材料和金属间化合物等。在焊接非晶材料时由于其超高的放热速度和瞬时温度（能够控制高于非晶合金的熔化温度）可以保证接头完全非晶化；在焊接高温合金时能够显著降低焊接温度并缩短焊接时间，能够应用于陶瓷与金属之间的异种材料连接，其突出优点是通过获得梯度过渡层、能实现高强度的连接。

微纳多层膜可应用于电子封装等微系统/微结构（MEMS）中连接硅片或电子元件，实现其他焊接方法难以完成的室温焊接高温使用的效果，作为局部热源能克服传统回流焊等技术需要微结构整体过炉加热至钎料熔点的缺点，提高焊接工艺的灵活性，同时能够避免使用有毒性的助焊剂。

在特定条件下通过微纳尺度多层膜自蔓延结合扩散焊工艺，能得到微细界面接头，从结构完整角度来说，最理想的焊接是没有界面的接头。针对微纳多层膜自蔓延连接的特殊现象，从理论上研究和探讨材料理想接头的形成条件，丰富界面科学和连接理论，对焊接理论发展有重要意义。

在确定的焊接结构和形式条件下，加压和激发措施可以很容易通过自动化工艺实现，因此该技术适合具有标准化流程的自动化生产应用。微纳薄层辅助自蔓延连接技术拥有诸多优点，在解决现有工艺控制问题的基础上，能在尖端科技领域急需的特殊材料连接领域发挥更大的作用。

5 结 论

（1）微纳多层膜制备技术的研究已多有报道，但其焊接应用研究方面的研究进行有限，适合焊接应用的多层膜在结构上有特殊要求，因此有必要进行制备技术针对性研究。

（2）由于多层膜体系众多且具备不同特点，使多层膜自蔓延焊接技术使用面临不同挑战，也限制了该技术的适应性和通用性。

（3）针对Al/Ni等常用体系多层膜自蔓延反应过程已有大量研究，但对于反应机理与焊接质量关系研究并不充分，尚未能就焊接质量与反应控制工艺进行充分探讨，反应机理认识与焊接实效追溯联系尚未建立。

（4）多层膜自蔓延焊接技术可望在特种连接领域推广应用，尤其针对高温合金、陶瓷-金属、非晶等非常规材料连接中能够起到特殊作用，在电子器件连接中配合钎料能够实现热敏部件瞬态连接、低温焊高温使用等特种工艺应用。

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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

王春艳 （1981—），女，湖南邵阳人，硕士，主要进行材料加工方面的研究。

2015-09-02

黄蔚莉