采用Sn-Bi钎料钎焊Bi2Te3基热电材料与无氧铜 -学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

owm/ンm试验研究蜉荔
采用Sn-Bi钎料钎爆Bi2Te3基热电材料与无氧铜
清华大学机械工程系(100084)夏海洋吴爱萍宋志华邹贵生任家烈
摘要Bi2Te基热电材料需与电极Cu连接构成热电模块。采用无铅钎料Sn-Bi及钎剂实现了大气环境中分
别直接钎焊p型(Bi,Sb)2Te、与无氧Cu和n型Bi2(Te,Se)3与无氧Cu。观察了接头的组织及Sn,Cu,Bi元素在接头
处的线分布和面分布。通过研究表明,Sn元素与p型(Bi,Sb)2Te的反应比与n型Bi2(Te,Se)3剧烈,在(Bi,Sb)2Te
与Sn-Bi界面处形成了5-7um的Sn反应层;Cu元素在Cu/Sn-Bi界面处也形成几微米的反应层;温度增加,两种反
应的程度均有增加趋势。利用 Gleeblel500D试验机测试了两种类型接头的抗剪强度,结果表明,(Bi,Sb)2Te/Sn-
Bi/Cu接头平均抗剪强度为5.1MPa,Bi2(Te,Se)3/Sn-BiCu接头则为4.4MPa,(Bi,Sb)2Te3/Sn-BiCu接头强度
分散性高于Bi2(Te,Se)3/Sn-Bi/Cu接头。接头主要断裂于反应层,反应层的成分、组织和厚度是影响接头强度
的关键因素。
关键词:Bi2Te3基热电材料Sn-i钎料直接钎焊反应层
中图分类号:TG454
0前言
钎料直接钎焊纯Te板并指出,提高Sn-Bi钎料中Bi元
素含量有助于阻止Sn元素的反应,抑制SnTe等界面
热电材料是利用热电效应将电能转化为热能,或将反应产物的形成。同时Sn-Bi钎料中含有Bi2Te的主
热能转化为电能的半导体材料,广泛应用于热电制冷和要元素Bi,可对润湿性有较好的影响。因此,选择合适
热电发电领域。Bi2Te3基热电材料是室温性能最优的热的Sn-Bi钎料成分和适当的工艺,可能实现Bi2Te与
电材料,它分为p型(Bi,Sb)2Te3和n型B1(Te,se)3两Cu的Sn-i直接钎焊连接,在满足经济高效、环保节能
种类型。Bi2Te需与电极(常用Cu)钎焊连接构成热要求的同时,最大限度降低反应层对热电性能的影响。
电模块,过去商业上常使用Sn-Ph2钎料,但随着环保要但是,目前针对Bi-Te与Ca的Sn-i直接钎焊还没有
求的不断提高,sm-AgCn2,snCn1, Sn-ag等无铅锡洋细报道。
基钎料得到逐步使用,而利用BiAg,Agln,Ag5,In
通过选取合适的钎剂,实现了大气环境中Sn-Bi钎
及Bi等无铅非锡基钎料实现连接亦有研究。锡基钎料料直接钎焊连接Bi2Te2与无氧Cu,并着重研究了界面
中的Sn元素等易在钎焊过程中与Bi-Tea反应生成结构、Sn及Cu元素的扩散、反应和接头力学性能,为后
snTe2,P-Sn、Te2,cuTe等界面化合物,降低了续研究Sn-Bi直接钎焊对热电模块热电性能的影响和
热电材料的热电性能。因此,常在Bi2Teっ连接面上镀对比研究Sn-i间接钎焊连接打下基础。
几微米厚度的Ni阻挡层以阻止钎料元素的反应和扩1试验材料与方法
散?,也有报道使用Au,Ag,P,Pd,Ta,TY,TiN,TiW,Ti-
SiN,TWN,TiWN等材料作为扩散阻挡层”。Bi2Te3表
试验用p型(Bi,Sb)2Te热电材料成分为10Bi-
面无扩散阻挡层的连接称为直接钎焊,反之则称为间
30Sb60Te(原子分数,%),n型Bi2(Te,Se)3热电材料
接钎焊。
成分为40Bi57Te-3Se(原子分数,%)。热电块尺寸为
5.0mmx5.0mmx6.2mm,无氧Cu块尺寸为5mmx
n-Bi是近年来发展的一种较廉价的无铅低温锡基
钎料,共晶熔点为139℃。Chen等人-0使用Sn-Bi
5mm×5mm,热电块和无氧Cu块钎焊连接面为5mm
5mm。所用钎料为Sn-Bi钎料,成分为50Sn-50Bi
收稿日期:2013-03-04
(质量分数,%),熔化温度范围为139~155℃,钎料被
基金项目:新型行焊材料与技术国家重点实验室开放课题( SKLABFMT加工成5.0m×5.0mm(0.1-0.2)m薄片。钎
201101)。
焊在电阻炉大气环境中进行,所用钎剂为ZnCl2+
13年第4期9
解蕊试唫研究owmw/2
NH4CI溶液,钎焊温度为180℃和210℃,保温时间均
为3mina
通过扫描电镜(SEM)观察了钎焊接头组织形貌,
利用能谱分析仪(EDS)分析了界面组织成分及相应的
元素线分布和面分布。使用 Gleeblel500D试验机测试
了接头抗剪强度。
2试验结果及分析
2.1p型(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi/Cu接头组织与元素分布
20 Wm
图1为钎焊温度180℃时(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi/Cu
(a)接头组织
接头组织与Sn,Cu元素在接头处的线分布,图2为钎
焊温度180℃时(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi界面处Sn,Bi元素
面分布。结合图1和图2可知,在(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi
界面,Sn元素与(Bi,Sb)2Te热电材料反应并形成了5
7um的Sn反应层;在Cu/Sn-Bi界面也出现2
左右的反应层。根据二元相图和相关参考文献推
测20,(Bi,Sb)2Te/Sn-BiCu接头的组织构成为
(Bi,Sb)2Te3/Sn-Te反应层/Sn(Bi)+Bi/Cu-Sn反应
层/Cu。
20 um
(Bi, Sb)Tea
(b)Sn元素面分布
图1(Bi,Sb)2Te/Sn-Bi/Cu接头组织与Sn,Cu元素线分布
(c)Bi元素面分布
图3为钎焊温度210℃时(Bi,Sb)2Te/Sn-Bi界面
图2(Bi,Sb)2Te/Sn-Bi接头组织及Sn,Bi元素面分布
处Sn,Cu元素面分布,图4为钎焊温度210℃时(Bi,
Sb)2Te/Sn-BiCu接头组织与Sn,Cu元素在接头处的2.2n型Bi(Te,Se)y/Sn-Bi/Cu接头组织与元素分布
线分布。因加压导致部分钎料溢出严重而使实际钎料
图5为钎焊温度180℃时Bi2(Te,Se)y/Sn-BiCu
层较薄。结合图3和图4可知,钎焊温度升高后,在接头组织与Sn,Cu元素在接头处的线分布,图6为钎
(Bi,Sb)2Tex/Sn-Bi界面,Sn与(Bi,Sb)2Te3热电材料焊温度180℃时Bi2(Te,Se)3/Sn-Bi界面处Sn,Bi元素
反应程度略有增加,同样形成了连续的Sn反应层;而面分布。由图5和图6可知,与(Bi,Sb)2Tea/Sn-Bi/Cu
对于Cu/Sn-Bi界面,Cu元素的反应程度明显增加,形接头不同,Bi2(Te,Se)3/Sn-Bi界面处Sn反应层较薄,只
成了可观的反应层,分析是有Sn-Cu金属间化合物反有约2um的厚度;在Cu/Sn-Bi界面,则形成与180℃时
应层生成,界面组织构成为Cu(Cu,Sn)/ Cu Sn//Sn(B,Sb)2Te/Sn-Bi/Cu接头厚度一致的反应层,约为
(Bi)+Bi。降低温度有利于降低反应程度。
2-3pm。结果表明,Sn-Bi钎料中的Sn元素更易与p型
102013年第4期