Al/Ni薄膜自蔓延反应连接温度场模拟及分析

自蔓延反应能在极短时间内产生足够集中的热量熔化钎料实现材料的连接,具有连接效率高、对连接母材热影响小等特点,从而在材料连接和电子封装领域有着广泛的应用前景。针对Cu/Cu和Cu/Si两种互连结构,建立Ai/Ni薄膜自蔓延反应的连接温度场有限元模型,分析不同钎料厚度、预热条件等参数以及不同连接材料对自蔓延反应连接温度场的影响规律。

Ni_3Al金属间化合物自蔓延高温合成中的显微组织演变

为了研究用Ni粉和Al粉自蔓延高温合成(SHS)Ni3Al过程中的显微组织演变,用燃烧波淬熄法使蔓延的燃烧波自行熄灭,用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)观察和分析了淬熄试样中的显微组织,测试了燃烧温度,并用X射线衍射(XRD)分析了合成产物的相组成。结果表明,合成反应开始于Al的熔化,从而使Ni粉粒开始部分溶解,Ni与Al原子间的互扩散导致Ni3Al反应扩散层在未溶解的Ni粉粒表面形成并逐渐增厚。该反应具有不完全性,可能是实验中使用了较粗的Ni粉和Al粉的缘故。

Al/Ni和Al/Ti纳米多层薄膜制备与表征

用磁控溅射法制备了Al/Ni、Al/Ti纳米多层薄膜。用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X-射线衍射仪(XRD)对其进行了结构表征和成分分析。用差示扫描量热法(DSC)测定了纳米多层薄膜的反应放热量。结果表明:工作压力为0.4 Pa,Al、Ni、Ti溅射功率分别为200,220,180 W条件下制备的Al/Ni、Al/Ti多层薄膜表面均匀致密,无尖锐峰,层状结构分明,组成成分分别为Al、Ni和Al、Ti单质状态;Al/Ni、Al/Ti多层薄膜放热量分别为1134.64,918.36 J·g-1,达到理论值的82.2%,80.7%。

磁控共溅射Ni_3Al合金薄膜的微观结构及电阻特性

研究了室温下采用直流磁控共溅射法在抛光玻璃和Si基底上沉积Ni3Al合金薄膜的制备工艺、微观结构和电阻特性。采用SEM、EDX、AFM、TEM等测试分析了不同基底、溅射功率、工作气压等因素对薄膜微观结构、成分比和电阻特性的影响。结果表明:采用大功率混合溅射可以得到多晶态Ni3Al纳米合金薄膜,且呈多层岛状生长。所得薄膜具有良好的导电性,与玻璃相比,在Si基底上的薄膜表面光滑平整,晶粒更小,电阻率略大。然而随着厚度的减小,薄膜的电阻率增加迅速,发生金属向绝缘体过渡的相变,而厚度较大时这种现象不明显,这表明Ni3Al薄膜相变与厚度及晶格中氧含量有关。

多层Al/Ni含能薄膜在电容放电激励下的能量释放特性和规律

为了研究Al/Ni含能薄膜的能量释放特性和规律,采用微细加工方法制备了双"V"型夹角的Al/Ni含能薄膜换能元。研究了Al/Ni含能薄膜换能元在47μF固体钽电容放电激励下的能量释放特性和规律。电爆炸测试时,用自主研制的ALG-CN1储能放电起爆仪作激励电源。电容器用47μF固体钽电容,充电电压为10～45 V。用高速摄影仪(HG-100K)观察换能元的发火过程。用数字示波器(LeCroy44Xs,4通道)记录换能元发火时电流、电压随时间的变化曲线。结果表明,Al/Ni含能薄膜换能元在电容激励下的电爆过程按照电流变化率(dI/dt)可以分为三个阶段:回路寄生电感的储能,换能元的电爆炸及等离子体加热。与相同桥型的NiCr薄膜换能元比较,所制备的Al/Ni含能薄膜换能元具有输出能量高以及电爆后产生的火花飞溅距离长的特点。发火回路的寄生电感对于换能元的起爆具有重要作用。Al/Ni含能薄膜换能元电爆炸时的输出能量主要来源于两部分:电容的输入能量和含能薄膜释放的化学能。

碱性溶液环境中CrSi(Ni,Al)电阻薄膜的电学稳定性及劣化机理

研究磁控溅射法制备的Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-Al电阻薄膜在模拟的碱性环境(NaOH溶液)中,介质溶液浓度和温度对薄膜电学稳定性的影响及其机理。结果表明:经热处理后呈纳米晶结构的2种薄膜在低温低浓度的碱性溶液中具有较好的电学稳定性和耐腐蚀性能,但是,随着溶液浓度和温度的增大其电学稳定性和耐腐蚀性能急剧下降,特别是在高温高浓度的碱性溶液中薄膜在很短时间内就出现性能劣化现象;2种薄膜在低温低浓度的碱性溶液中能够迅速地在膜层表面形成稳定的钝化保护层,从而有效地抑制溶液离子对薄膜内层的进一步腐蚀;而在高温或高浓度的碱性溶液中薄膜表面难以形成稳定的钝化保护层。

Al/Ni自支撑纳米含能薄膜制备及在热电池中的应用

采用真空磁控溅射镀膜和光刻技术制备出成膜质量良好的Al/Ni自支撑纳米含能薄膜,并将其应用于热电池中,替代传统热电池中的锆加热剂作为热电池的热源组件。结果表明:采用Al/Ni自支撑纳米含能薄膜作为热电池中的加热剂材料能够提升热电池性能;利用末端加热工艺可有效减少热电池的热损失;在不同电流密度下激发,激活时间与输出电流密度成正比,工作时间和峰值电压与输出电流密度成反比。

金属间化合物Ni_3Al薄膜的制备及性能研究

采用直流磁控共溅射法,在衬底温度为450℃的SiO2基体上制备了厚度为500nm的Ni3Al薄膜,X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等测试表明,薄膜为(111)取向的L12型晶体结构金属间化合物。采用纳米压痕方法测试了薄膜的力学性能,其硬度为8.00GPa,弹性模量为200GPa。为克服亚微米级薄膜氧化增重难以测量的困难,采用四探针测试金属薄膜电阻的方法,间接给出了薄膜的腐蚀性能和高温氧化程度。结果表明Ni3Al金属间化合物薄膜的氧化速率为2.28×10-13g2/(cm4.s),薄膜具有良好的高温抗氧化性能。

NiAl金属间化合物的热爆合成过程研究

以Al粉和Ni粉为主要原料,采用自蔓延高温合成技术,制备Ni-Al基金属间化合物。绘制了热爆反应曲线、描述了热爆反应的过程,分析了热爆反应机理及产物的显微组织特征,研究了热爆反应的边界条件以及各种反应参数对热爆反应的影响。研究结果表明,升温速率和颗粒尺寸对热爆反应均有不同程度的影响。提高升温速率、减小颗粒尺寸均可缩短热爆反应的起始时间,降低热爆反应的起始温度。初步确定了反应起始温度低于Ni-Al系的最低共晶温度(640℃),Ni-Al系的热爆反应是由固-固扩散反应引发的,Ni-32Al的反应产物为单相、均一的NiAl相。

激光合成Ni_(85)Al_(15)掺杂钨精矿粉合金组织及性能研究

为了提高复合材料的硬度、强度及耐磨性能,采用高能束激光诱发自蔓延原位自生反应合成金属陶瓷颗粒增强复合材料的方法,在过共晶Ni85Al15粉末中添加质量分数为0.01,0.015和0.02的钨精矿粉并压制成坯激光烧结后,得到了烧结合金的X射线衍射和扫描电子显微硬度、磨损测试结果。未添加钨精矿粉时,烧结合金的合成产物主要有NiAl,Ni3Al和Al2O3等相;添加钨精矿粉后,烧结合金产物增加了Ni4W和WO3相;当钨精矿粉的质量分数为0.01时,烧结合金相对密度最高为5.84g/cm3,其孔隙率最低为0.13%,合金硬度最高为325.2HK,磨损率最低为0.27mg/mm2。结果表明,钨精矿粉的加入,能够增加材料的硬度及其耐磨性能,当其质量分数达到0.01时,材料的硬度和材料的耐磨性能最优。

Al/Ni反应叠层箔的研究进展

Al/Ni反应叠层箔具有高能量密度特征,并可以由自蔓延反应方式快速释放此能量,所伴随的显著温升现象对于特种焊接具有重要意义。采用不同制备技术获得的Al/Ni反应叠层箔的组织结构特征各异,其自蔓延反应动力学特征亦有所不同。迄今所开展的相应反应热、生成相顺序及自蔓延速率的探索已获得了较为丰富的研究成果,为Al/Ni反应叠层箔工程应用的前期研究提供了重要支撑。

Al/Ni含能多层膜在Al2O3陶瓷/不锈钢焊接中的应用

采用磁控溅射设备,生长AuSn合金做焊料层、Al/Ni含能多层膜做热量提供层,实现了不锈钢和Al2O3间的异质材料自蔓延高温扩散焊。利用SEM、XRD和DSC等测试手段表征AuSn合金和Al/Ni含能多层膜的微观形貌、相成分和放热量;用万能试验机测试焊接接头的力学性能。结果表明,AuSn合金的质量比基本达到80∶20,而多层膜的层状结构清晰,反应热达到1 239 J/g。焊接实验结果表明,仅使用AuSn焊料时,剪切强度仅为46 MPa,在增加Al/Ni含能多层膜后,其剪切强度可达90 MPa,强度提高了约一倍。焊接接头的界面显微形貌和相结构研究表明,剪切强度的增强主要是Al/Ni多层膜提供了额外能量使得界面处的反应剧烈,陶瓷金属化层与中间层的反应加剧,形成了新的反应生成物。

大面积芯片/DBC基板自蔓延互连热应力场研究

与传统整体加热的大面积芯片/DBC基板焊料互连方法相比,使用自蔓延薄膜为局部热源的焊料互连方法有加热迅速、热影响区小和热量集中等特点。主要采用有限元模拟的方法,对大面积芯片/DBC基板自蔓延互连过程中的热应力场进行分析,得到了不同时刻互连结构的翘曲变化,研究了压力对互连结构残余应力的影响规律。

多种基底上制备镍铝水滑石纳米片薄膜的研究

分别以氨水、NaOH和Na2CO3组合以及尿素为沉淀剂,采用水热法制备了Ni/Al水滑石粉体材料,并且以尿素为沉淀剂时,可在钛片、铁钴镍合金片、陶瓷片及玻璃片等多种基底上直接获得Ni/Al水滑石纳米片薄膜。分析结果表明,尿素的水解可以缓慢释放出氢氧根和碳酸根,相对温和的沉淀反应有利于Ni/Al水滑石材料的种晶黏附在基底上,从而形成薄膜。

基于自蔓延反应的气密性陶瓷封装技术研究

研究了一种利用Al/Ni合金薄膜自蔓延反应来实现气密性陶瓷封装的技术方案,并对该方法的气密性焊接质量进行了测试和分析。研究结果表明,通过蒸镀工艺,可以有效地制备规定厚度和规定层数的Al、 Ni交替叠层薄膜。该Al/Ni合金薄膜在压力条件下可以触发自蔓延反应,形成局部高温焊接。参照GJB 548B密封性A1方法对样品进行密性测试,结果显示:平均测试结果为4.0×10-3(Pa·cm3)/s;利用X-ray测试焊接区,结果显示:孔隙率为14.47%。由此可以判断,该气密性封装方法的密封性和孔隙率均符合标准。

溅射功率对直流磁控溅射微机电制造用Zr51Al11Ni4Cu34非晶合金薄膜特性的影响

本文以Zr51Al11Ni4Cu34合金试片为单一靶材,采用直流磁控溅射法在玻璃基板上制备非晶合金薄膜,并通过XRD、SEM、纳米压痕仪及四点探针测试仪等手段,分析溅射功率对其微观结构、机械特性与电学性能的影响。结果表面:薄膜皆为非晶结构,且100 W时非晶化程度最高;薄膜皆呈柱状形貌,200 W时仍存在明显裂缝;薄膜的硬度及弹性模量随溅射功率增大而无明显变化,硬度为459~510HV,弹性模量为90~94GPa;薄膜的电阻率随溅射功率增大由7.05×10^-3Ω·cm降至1.09×10^-3Ω·cm。

金属间化合物Ni3Al薄膜制备工艺

采用直流磁控共溅射法,通过一步法、两步法工艺在衬底为SiO2基体上制备了厚度为500 nm的Ni3Al薄膜,X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等测试表明,一步法工艺制备的Ni3Al薄膜为(111)取向的多晶型晶体结构金属间化合物优于两步法工艺。采用光学显微镜观察Ni-Al合金薄膜和金属间化合物Ni3Al薄膜经高温氧化后的形貌,结果表明,Ni3Al金属间化合物薄膜的高温抗氧化性能明显优于Ni-Al合金薄膜。

脉冲高能量密度等离子体沉积(Ti,Al)N薄膜组织及其性能研究

利用脉冲高能量密度等离子体技术在室温条件下在 4 5 #钢基材表面沉积了高硬度耐腐蚀 (Ti,Al)N薄膜 .利用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱分析了薄膜的显微组织 .利用纳米压痕仪测试了薄膜的纳米硬度 .测试了薄膜在 0 5mol LH2 SO4 水溶液中的耐蚀性 .测试结果表明 :薄膜主要组成相为 (Ti,Al)N ,同时含有少量的AlN ,薄膜的纳米硬度高达 2 6GPa ,薄膜具有良好的耐蚀性 ,与 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢相比 ,耐蚀性提高了一个数量级 .

嵌入式Al/Ni纳米复合材料的制备与表征

利用硅基氧化铝模板制备出具有较大物理接触面积的嵌入式A1/Ni纳米复合材料。首先,在0.3M草酸、40V条件下通过阳极氧化技术制备硅基多孔氧化铝薄膜;其次,以多孔氧化铝薄膜为模板电沉积制备Ni纳米棒;最后,在Ni纳米棒表面溅射一层Al膜形成嵌入式结构。采用场发射扫描电镜(FESEM)清晰地描述了嵌入式Al/Ni纳米复合材料的形成过程,并且X射线能谱衍射(EDS)谱图记录了制备过程中不同阶段样品元素组成的变化。X射线衍射(XRD)谱图表明制备的Ni纳米棒为多晶结构,DSC测试结果显示嵌入式Al/Ni纳米复合材料具有良好的热反应活性,在微热源和起爆装置中有潜在的应用价值。由于嵌入式Al/Ni纳米复合材料与硅基相兼容,因而可集成到MEMS器件中。

燃烧合成方式对形成Ni_3Al的影响

为研究自蔓延和热爆两种燃烧合成方式对产物Ni3Al组织的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)观察对比了合成试样中的不同显微组织,利用X射线衍射(XRD)分析比较了合成产物相的差别,并通过透射电镜(TEM)比较了两种方式下合成相粒子析出情况。结果表明:自蔓延反应产物形成共晶组织,热爆反应则生成枝晶组织;虽然两种方式反应物的XRD分析结果相同,但是自蔓延反应产物的相峰强度显著高于热爆反应产物;热爆反应产物相粒子产生的偏聚比自蔓延反应产物相明显。