[發明專利]高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法

有效

• 申請號: 201210204398.1
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102699465A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 牛濟泰;王西濤;高增;李強;張寶慶;木二珍;陳思杰;線恒澤;曾崗
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K1/005
• 分類號: B23K1/005;B23K1/19;B23K1/20;B23K35/28;B23K35/30;B23K103/16
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬焊方法。

背景技術

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料因其具有高比強度、比剛度、尺寸穩定性、可設計性以及耐磨、耐腐蝕、耐射線等優異性能，特別是原材料來源充分、制造成本低、市場容易接受，是金屬基復合材料中應用潛力最廣的新型結構材料，可廣泛應用于航空航天、汽車制造、儀器儀表、電子信息、精密機械等產業領域。而高體積分數(50％～70％)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料因其具有接近于玻璃的低膨脹系數和接近于金剛石的高硬度，在電子封裝和航空航天關鍵零部件中有其獨特的用處。例如，對當今我國國防急需發展的先進預警機、戰斗機、大型相控雷達、宇宙飛船、空間站、嫦娥登月等航天器以及衛星、彈道導彈等軍事裝備來說，其雷達核心部件---T/R信號發射與接收芯片大功率模塊的需求量急劇增加，而模塊封裝殼體長期使用的是可伐合金(Fe-Ni-Co)以及W/Cu、Mo/Cu等傳統的封裝材料，比重大、制造工藝復雜、成本高，遠不能適應航空航天飛行器結構高輕量化的設計要求，迫切需要一種集低膨脹、高導熱、輕質三大特性于一身的新型電子封裝結構材料。而高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料就是這種理想的替代材料，因為它不但比重是可伐合金的1/3，膨脹系數與封裝芯片的陶瓷基體相接近，而且導熱性比可伐合金高10倍。

因此，在航空航天與電子行業，用高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等傳統的封裝材料已是大勢所趨。因為對當今搭載電子元器件數量急劇膨脹的先進預警機、戰斗機、大型相控雷達、航天器、衛星、彈道導彈等軍事裝備來說，降低自重就意味著提高了作戰的靈活性和生存性，并降低了燃料裝載量，增加了有效載荷，可為國家節省大量開支。粗略估算，一架預警機需要4萬個這種電子封裝模塊，一架殲擊機需要1500個，一個通訊衛星需要1500～3000個，一個艦載雷達需要15000個，未來的空間站和空間實驗室需要的量則更大，如果把我國上述所有武器裝備的T/R模塊全部換成高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，其需要量極其龐大，所帶來的軍事意義和經濟效益難以估量。可以說，用高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等傳統的電子封裝結構材料，是我國航空航天通信裝備領域產品升級換代的一項重大改革，意義十分重大。

然而，這種新型的電子封裝材料卻遇到了一個瓶頸技術難題---電子模塊的外殼封裝焊接問題。一方面是需要將殼蓋板與殼體焊在一起，同時在焊接時又不能把已經事先置于殼體底部的芯片造成過熱損傷(芯片允許的工作極限溫度只有170℃)，還要保證焊接接頭通過嚴格的氣密性和抗沖擊振動、抗潮性、抗腐蝕等試驗，質量要求極其苛刻，成為目前國內外焊接界公認的技術難題之一。

國外研究現狀：至今未查閱到有關高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料焊接技術的任何報道。國內研究現狀：哈爾濱工業大學牛濟泰于1989年在國家自然科學基金的資助下，率先在國內開展了鋁基復合材料焊接性的研究，上世紀90年代末以來，也有不少院校的教師和研究生對低體積分數增強鋁基復合材料的焊接性進行了有益嘗試，研究結果都表明：由于增強相與鋁合金基體物理化學性能的巨大差異，用熔化焊方法獲得高質量的焊接接頭是極其困難的，極易產生氣孔、夾渣、疏松、未焊透等缺陷，同時在焊接高溫情況下，碳化硅將與鋁液發生界面反應，生成C₃Al₄針狀有害化合物，只有采取鋁硅焊絲或基體鋁合金焊絲稀釋熔池才有可能實現連接，但其結果是焊縫中的成分主要是鋁合金而不是鋁基復合材料，因而接頭強度系數很低。之后數年，牛濟泰發明了一種焊縫原位自生增強的熔化焊接方法(中國發明專利號ZL200510010266.5)，可以明顯提高接頭強度，但這一方法也只適用于低體積分數(＜20％)的顆粒增強鋁基復合材料，對高體積分數(50％～70％)仍無能為力。近幾年，牛濟泰等人針對高體積分數又發明了碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的擴散焊、真空釬焊、爐中釬焊、電阻焊工藝等并獲得了多項國家專利，哈工大的閆久春等人發明了有關鋁基復合材料的振動焊、超聲波毛細焊接等工藝，從而對高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的焊接開辟了新的研究思路，但對于電子封裝這種技術條件要求十分苛刻的高端產品，焊接質量尚不夠理想，主要是在釬縫密封性以及抗空間環境因素(交變溫度、振動、空間粒子輻照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能適應大批量、高合格率穩定生產的技術要求。其根本原因是復合材料表面裸露著大量的SiC陶瓷增強相，它含有離子鍵與共價鍵，很難被含金屬鍵的釬料所潤濕，給釬焊過程帶來了極大的難度，因此進一步探討更為有效的釬焊工藝勢在必行。