超声波辅助Zn-Al钎料钎焊SiC接头

碳化硅陶瓷凭借卓越机械性能、优异热导率及低热膨胀系数，在航空航天、汽车、能源、电子等领域应用广泛，尤其对高性能微电子封装极具吸引力。而碳化硅陶瓷需与自身或金属可靠连接，钎焊是常用连接方式。

传统碳化硅陶瓷钎焊多采用Ag-Cu-Ti、Co基等钎料，钎焊温度达800~1200℃，易损伤电子元器件，难以用于电子工程领域。锡基无铅钎料熔点低于250℃，无法满足高温电力电子器件需求。Zn-Al合金熔点适中（350℃以上），且耐腐蚀性、热导率、电导率及力学性能优良，成为高温连接理想材料，其中共晶Zn-5Al钎料熔点381℃，适合碳化硅陶瓷连接，但大量脆性Zn-Al共晶会降低接头力学性能。

为此，研究以Zn-5Al和Zn-5Al-3Cu合金为填料，采用超声波辅助空气钎焊碳化硅陶瓷。在手套箱中用高纯Al、Zn、Cu制备两种合金，还加入预热的Al-5Ti-1B晶粒细化中间合金棒材。焊接时，碳化硅样品重叠放置，以50℃/min升温至420℃并施加超声振动，超声振幅3.5μm，频率、压力、功率分别固定为28kHz、0.4MPa、300W，超声作用时间5~20秒，随后保温3分钟再空冷。

结果显示，两种钎料超声作用5秒的接头无明显缺陷与反应产物。Zn-5Al钎料接头连接层含η-Zn相和大面积Zn-Al共晶枝晶结构；Zn-5Al-3Cu钎料接头连接层除η-Zn相和层状Zn-Al共晶相，还存在含ɛ-CuZn₄相的非层状共晶，且初生η-Zn相体积分数增加、共晶组织减少，这是因为Cu促进η-Zn相非均匀形核、抑制共晶形成，利于提升力学性能。

当Zn-5Al钎料超声作用时间延长至20秒，接头无焊接间隙，层状Zn-Al共晶结构消失，出现更多细小非层状共晶相，且α-Al相尺寸更小、分布更均匀。此外，Zn-5Al钎料接头剪切强度达约138MPa，接近Zn-5Al-3Cu钎料水平。该研究为碳化硅陶瓷低温可靠连接提供了有效方案。