[发明专利]热膨胀系数相匹配的铜焊体系

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年11月30日提交的标题为BRAZE SYSTEM WITH MATCHED COEFFICIENTS OF THERMAL EXPANSION的 美国临时专利申请号60/632,014的优先权。

政府资助申明

本发明得到政府合同DE-AC02-05CH11231的资助，由美国能 源部授予The Regents of the University of California(加利福尼亚大学 校委)，用于Lawrence and Berkeley National Laboratory的管理与运 行。政府在本发明中享有一定权利。

技术领域

本发明涉及一种通过添加颗粒或纤维填料使热膨胀系数降低的钎 焊(braze)组合物，涉及该组合物的用途，以及涉及使用该钎焊组合物 连接两个或者多个陶瓷或陶瓷和金属元件制得的复合元件。

背景

钎焊广泛用于金属的连接，其通过将钎焊材料高温熔融并与待连 接材料表面反应，在钎焊材料冷却和固化后产生粘合而进行。适当的 钎焊材料润湿待连接材料的表面，让它们相连接而物理上不发生变化。 为此，钎焊材料通常在与待连接材料熔点相比较低的温度下熔融。虽 非必须，但通常加热和冷却在真空和惰性气体中进行。钎焊材料常基 于金属例如银，金、铜，镍，钛，钯，铂，铬及其合金。钎焊基料中 也可以包含少部分的宽范围的用于调节所得合金的各种性能的其他元 素。钎焊可以有效地用于同种材料或异种材料的连接，如金属与金属， 陶瓷与陶瓷，和金属与陶瓷。各种金属与陶瓷的焊接，可用于生产灯 泡，高尔夫球棒，熔炉，半导体处理室，热障涂层，燃料电池以及其 它电化学装置，科技设备等。

在钎焊陶瓷的情况下，通常需要对陶瓷表面进行处理，以便获得 陶瓷和钎焊材料之间的牢固连接。处理方法有多种，包括在钎焊操作 之前在陶瓷元件上镀一层金属膜，或在钎焊材料合金中引入某种元素， 该元素在钎焊操作期间可与陶瓷表面反应。反应性元素一般为钛，铪， 钒，铌或锆。可以容纳反应性元素作为钎焊填料上的覆层，或作为钎 焊合金的组分。

在大多数情况下，钎焊材料和待连接元件的热膨胀系数(CTE) 显著不同。在陶瓷与其它易碎连接件情况下，这种热膨胀系数的不匹 配可以导致足量的应力，以致在钎焊操作之后冷却，或使用焊接期间 产生热偏移导致焊料/易碎连接件界面附近发生破裂。这种破裂是对接 头的理想性能如接头强度，使用寿命和气密性是有害的。钎焊合金合 金与连接件，或连接件之间的热膨胀系数的不匹配都可能导致破裂。

已经提出了一种具有降低热应力的颗粒填料的钎焊材料。例如， Makino等人，(US 6,390,354和US 6,742,700)公开了一种CTE与氧化铝 的CTE匹配度很好的氧化铝填充焊料，从而避免氧化铝铝连接件发生 破裂。但是陶瓷颗粒的表面需要金属镀层来增强其与钎焊材料的浸润 性，这种颗粒状氧化铝填料最高到接头体积的90％，这降低了接头的 电导率，从而在很多应用中不利地损害了接头性能。此外，氧化铝比 其他陶瓷，如YSZ，更不易断裂，试验表明氧化铝填充的钎焊材料不 足以无裂纹地有效连接YSZ。

因此，需要改善的钎焊组合物，该钎焊组合物能够在易于破裂的 材料(即陶瓷)用作连接件时提供坚固、气密性的接头。

发明概述

一方面，本发明涉及一种复合钎焊组合物，其可用于在其中至少 一个连接件含有陶瓷(例如为陶瓷或金属陶瓷)时制造坚固、气密性 的接头。该钎焊组合物可以经配制以减少陶瓷连接件与钎焊或其他连 接件之间的热膨胀系数不匹配导致的热应力。该钎焊组合物包含与一 种或多种热膨胀系数很低(如，不高于6×10^-6/K)或为负值的颗粒填 料或纤维填料混合的粉末状，糊状或块状形式的钎焊合金。还提供了 用该钎焊组合物来连接元件的用途，其中所述元件的至少之一包含陶 瓷，以及通过使用所述钎焊组合物连接两个或者多个元件产生的复合 元件，其中所述元件的至少之一含陶瓷。