电子束及激光钎焊铝焊片

半导体制造行业中，真空腔，匀气盘，冷却板等诸多设备部件都可能涉及到铝合金材质的电子束钎焊。例如，真空镀膜设备腔室一方面需要维持一定温度以便增强膜层对于基体的附着力和质量，另一方面为了确保膜层的质量和避免气体分子与蒸发或溅射原子之间的碰撞，需要维持高温和高真空环境，因此以AA6061铝合金部件制作的腔室部件的钎焊密封性至关重要。考虑到电子束钎焊能量集中可控，热影响区域小，因此电子束钎焊是半导体镀膜设备腔室为代表的铝合金钎焊的重要工艺方法之一（在另外一些熔深要求不如电子束但对于变形比较敏感的高能钎焊应用中，激光焊接由于无需真空，并且对于工件尺寸限制小得多，因此也得到了非常广泛的应用）。

最终产品腔室的密封性，一方面取决于电子束钎焊工艺的参数调整和控制，确保钎料在钎焊界面的充分流动和铺展填充，另一方面也取决于铝合金钎料本身成分（例如高蒸气压元素，降熔元素，杂质元素的含量），吸气量（尤其是氢气）的控制。例如，相同工艺参数条件下，夏天中国南方工厂熔炼的钎料，吸氢含量就可能高于在冬天中国北方熔炼的钎料。当扩散氢足够集中，局部应力足够高，导致超过临界开裂应力时，就会出现氢助开裂形成冷裂纹。不过，通过客户事先的特殊要求提示，吸氢含量可以通过工厂熔炼过程中一些有意识的措施获得一定程度上的控制。

就半导体行业的铝合金电子束或者激光焊接/钎焊工艺而言，除了冷裂纹之外，液化和热裂纹也是经常遇到的一个问题。

液化和热裂纹既是一种冶金现象，也是一种机械现象。在冶金学上，一个相或相的组合在一定温度范围内承受应变的能力可能有限。在机械方面，施加在焊接件上的应变（内在和外在）可能会超过临界应变范围。当冶金和机械条件都足够时，可能会出现焊接凝固裂纹。

各种合金的热影响区和熔合边界都可能出现低熔点成分的扩散。这些低熔点成分会在晶界和晶粒间的三点处液化和聚集。此外，溶解和扩散会耗尽晶界附近的强化析出层，从而产生软化和强度损失。此外，冷却时产生的热收缩足以在这些位置产生液化裂缝和热撕裂空隙。

热裂纹通常是晶间裂纹。控制母材热裂纹敏感性的三个因素相互影响：材料的热机械条件、母材成分和焊接过程热梯度的严重程度。虽然EBW焊接过程中会产生陡峭的热梯度，但在韧性材料中，热裂纹的长度往往有限；不过，与其他熔焊方法相比，电子束钎焊和激光焊接对母材的热裂纹倾向要求很高。

纯铝（AA1100）以及AA2XXX、AA3XXX、AA4XXX和AA5XXX系列中的某些合金可通过电子束或者激光自生焊接，不会出现熔合区或热影响区开裂问题。其他铝合金则需要填充金属来克服熔合区开裂问题。例如，一些AA6XXX系列合金由于容易出现焊缝凝固裂纹，因此很难采用电子束和激光自生焊接，但通常可以使用添加共晶AA4047钎料金属的方法进行焊接。电子束焊接的热影响区狭窄，限制了部分熔化区的共晶熔化量，有利于限制热影响区的开裂量。高速焊接和最小热输入也可用于最大限度地减少热影响区裂纹。

AA5XXX系列铝合金中大量的高蒸汽压合金元素（如镁）会优先汽化。因此，由此产生的合金含量较低的熔合区的机械性能可能与基体金属的性能大不相同，但有可能会存在由于Mg蒸发产生的气孔问题。锌是AA7XXX系列合金中的主要合金元素，与AA5xxx铝合金一样，AA7xxx中锌的高蒸气压也可能会导致气孔问题。

航空级别得铝锂合金的电子束（EB）焊接可以使用低压或高压系统轻松完成。虽然铝锂合金的热裂纹敏感性大大高于AA2219，但远低于AA6061；一般来说，铝锂合金焊接的热输入要求比富含铜的AA2219低20%-30%。因此，这些合金可以在不添加填充金属的情况下进行焊接而AA6061的电子束钎焊必须添加填充材料来抑制裂纹的产生，上海工泽厚经贸有限公司提供此类钎焊材料。

电子束焊缝的形成与其他熔融焊接工艺例如GTA具有相同的冶金效应。然而，电子束焊接工艺的高能量密度可产生与传统电弧焊截然不同的焊缝形状和缺陷形态。电子束的高强度允许使用高移动速度，从而产生深而窄的单道焊缝，产生非常快速的局部加热和冷却。这种快速加热和冷却会影响冶金过程对焊接熔合区（FZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）结构和性能的影响程度。激光焊接也会产生类似的冶金效果，但远没有电子束钎焊的影响强烈。

此外，相比激光焊接，电子束钎焊的真空环境可增加低熔点合金添加物的汽化，并减少因钎料金属污染或其他熔化过程中常见的保护气体而产生的氢气析出。

焊接过程中可能产生的冶金效应包括：

(1) 热影响区

(a) 退火、固溶退火、再结晶和晶粒长大

(b) 相变、回火和时效硬化

(c) 液化和热裂解

(d) 次固结开裂和基底金属效应

(2) 融合区

(a) 晶粒结构和取向

(b) 相变

(c) 偏析、沉淀和开裂

(d) 气体溶解、孔隙形成

这些冶金效应会产生结构和机械效应，从而影响焊接性能，如强度、硬度、延展性、韧性和耐腐蚀性，而这些性能可能与母材的性能大不相同，从而最终影响焊接性能。

从上述基本特性出发，可以洞察到半导体设备真空镀膜腔室电子束钎焊密封工艺对于铝合金钎料的基本需求：

1. 铝基钎料：虽然添加铜等元素可能大幅降低某些体系铝合金牌号的熔点范围，但因为会产生强烈的内应力导致热裂，因此基本只能考虑BAlSi体系的钎料。在AlSi钎料体系中，BAlSi-4具有最低的共晶熔点。换句话说，共晶型的合金特性，使得钎料能够在温度达到预期的熔点之后能迅速熔化并具有最好的流动性和铺展能力，一方面调整焊缝的成分，另一方面通过高流动性减少热裂纹形成可能性；除了Si元素含量的精确控制，其他常规合金/杂质元素在这一钎料中的含量都应该得到有意识的控制；

2. 在AlSi钎料中添加一定的Mg，是常规真空钎焊钎料的独门秘诀之一，但却不是这一特殊应用需求的首选项。结合电子束高能量密度以及高深宽比的特性，钎料中额外增加的Mg，一方面会扩大钎料的固液相范围（使得液相线温度甚至比共晶钎料还低，看起来似乎是正向影响因素，实则不然），但另一方面会扰乱钎料的特性造成高真空独特环境下Mg蒸汽的高温气化但无法及时排出，可能在钎缝中形成气孔甚至造成漏气；

3. 除了控制Mg含量和其他合金杂质元素以保证熔点及钎料熔体的汽化，从熔炼铸造源头考虑，也需要在钎料熔炼过程中有意识严格控制熔体的吸氢防止出现焊后冷裂纹。因此，虽然也是工作于真空系统，传统的AA4104钎料并非电子束钎焊填充钎料的首选。

此外，针对对性能一致性有严格要求的钎料，常规通用的钎料生产并不能保证产品不同批次之间的一致性，甚至任一批次材料的适用性。而特殊行业的用量相对通用行业而言往往又是极为有限的，这就导致看似一样的定制材料往往比通用材料价格高得多，甚至一料难求。

基于我们在有色金属冶金和钎焊行业的经验，以及对钎焊材料在特定电子束钎焊应用中的理解，上海工泽厚专门订制了用于电子束钎焊/激光焊接AA6xxx合金应用的真空级BAlSi-4钎料，用于进口替代并已经在国内成功应用。

目前具体可以提供的少量货架规格有：

1. BAlSi-4， H18， T0.52xW15，卷材

2. BAlSi-4， H18， T0.52xW50， 卷材

3. BAlSi-4，H18， T0.10xW500-600，卷材

欢迎咨询探讨。