CN106711261B - 一种空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法，复合材料包括：一层Kovar合金箔片；两层纯银箔，由作为面层的纯银箔和作为中间层的Kovar合金箔片构成叠层“三明治”结构，上中下三层之间通过轧制复合形成化学键连接成一体。制备方法，按照纯银箔、Kovar合金箔片和纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；将组合坯料进行热轧制复合连接；轧制复合后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。本发明的复合材料具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求；制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化卷对卷批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及航天设备与方法领域，特别涉及一种空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法 。
背景技术
空间技术发展及昂贵的航天发射成本对航天器正常在轨运行寿命提出新的要求。由于空间环境恶劣，对航天器表面材料的作用复杂多变，长期工作于航天器表面的太阳能电池阵将遭受高能粒子、微流星、空间碎片、原子氧等侵蚀，从而影响飞行器正常在轨运行寿命。
太阳能电池阵是由单体砷化镓太阳能电池通过金属互连串接形成的阵列，目前空间太阳能电池阵上采用的互连金属材料主要为纯银互联片，其空间环境适应性较差，严重制约了航天器在轨飞行寿命。
目前主流的互连片主要有NASA、ESA、JAXA等采用的可伐（Kovar）电镀银、钼基电镀银，国内天津大学、电子科技集团第十八研究所研制的Kovar合金基离子束注入银缓冲层电镀银及银基镀金互连片以及上海空间电源研究所研制的Kovar合金基真空镀银和钼基真空镀银互连片，由于耐原子氧金属或金属合金与银镀层的热物性差异较大，因此，以上所有互连片均需制备缓冲层，以减少二者之间的热力学梯度。近年来，随着电镀技术发展，电镀金属薄膜质量不断提高，但经国内外地面空间环境模拟实验和相关焊接试验验证，耐原子氧金属基电镀银互连片存在镀层纯度低、致密性差、镀层界面结合不牢固、可焊性差等不足，同时电镀本身工艺复杂，环境污染严重；虽然真空镀膜能很好地弥补电镀存在的不足，但真空镀银成本高、不易于大面积生产，镀层致密性相对纯银互连片差。
公告号为102418124A的中国专利“一种可伐合金互联片的镀银方法”，其中，可伐合金基电镀银互连片是在可伐表面预先电镀金属镍、铜作为过渡层，然后再电镀银。这种制备方法由于受限于镀液及工艺影响，电镀银层纯度较低、致密性差，从而导致制备的互连片可焊性差，牢固度差，表面状态易受环境影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法，以解决现有Kovar电镀银制备的金属层状复合材料镀层不牢固、致密性差、可焊性差、电镀质量不可控、工艺复杂等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种空间用可伐/银金属层状复合材料，包括：一层Kovar合金箔片；两层纯银箔，由作为面层的纯银箔和作为中间层的Kovar合金箔片叠层“三明治”结构，上中下三层之间通过轧制复合形成化学键连接成一体。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料中，所述Kovar合金箔片的配比为54Fe29Ni17Co。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料中，所述Kovar合金箔片的厚度为10~100μm。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料中，所述纯银箔的纯度≥99.9%，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
进一步地，所述空间用可伐/银金属层状复合材料是用于空间砷化镓太阳能电池串、并联接。
本发明还提供一种空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，包括：将分别经过预处理的Kovar合金箔片和纯银箔，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；将所述组合坯料在真空或惰性气体保护下先进行轧制复合连接，然后在惰性气体气氛下进一步退火处理。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，所述组合坯料在真空或惰性气体环境下进行轧制复合连接，其中，轧制温度为500~850°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.02m/s~0.5m/s。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述组合坯料进行轧制复合之后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中，退火温度为400~750°C，退火时间为0.5~2h，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中，真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述Kovar合金箔片进行的预处理包括：采用异丙醇、1#电子清洗液等清洗，以去除Kovar合金箔片表面的油污以及采用5%的硫酸和盐酸的混合溶液去除Kovar合金箔片表面的氧化层。
进一步地，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯银箔进行的预处理包括：采用异丙醇、1#电子清洗液等清洗，以去除银箔表面的油污以及采用25%的氢氟酸水溶液去除银箔表面的氧化层。
本发明提供的空间用可伐/银金属层状复合材料，上中下三层之间通过化学键连接，复合材料的界面结合牢固，具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求。
进一步地，空间用可伐/银金属层状复合材料所采用的焊接层为块体纯银箔，因此，相对传统通过电镀银或其它真空镀银技术所制备的空间用互连片具有可焊接性好、工艺简单可控、可实现大面积自动化卷对卷批量生产等。
本发明提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，将Kovar合金箔片和纯银箔通过轧制复合连接为一体，Kovar合金箔片和纯银箔界面以化学键直接结合，两者之间不加入任何助复层或缓冲层，制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化批量生产。
进一步地，在空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，依据Kovar合金箔片热膨胀系数随温度升高逐渐增大的特性，对组合坯料在恒定温度为500~850°C的范围内进行轧制复合，同时对轧制后试件进一步退火处理，减少了Kovar合金箔片与纯银箔之间的热物性梯度，消除热应力，保证了纯银箔与Kovar合金箔片的界面结合牢固。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的空间用可伐/银金属层状复合材料，上中下三层之间通过化学键连接，复合材料的界面结合牢固，具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求。本发明提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，将Kovar合金箔片和纯银箔通过轧制复合连接为一体，Kovar合金箔片和纯银箔界面以化学键直接结合，两者之间不加入任何助复层或缓冲层，制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化批量生产。
图1为本发明实施例提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的剖面结构示意图。参照图1，提供的一种空间用可伐/银金属层状复合材料，包括：一层Kovar合金箔片11；两层纯银箔12，由作为面层的纯银箔12和作为中间层的Kovar合金箔片11叠层“三明治”结构，上中下三层之间通过轧制复合形成化学键连接成一体。
在本发明实施例中，所述Kovar合金箔片的配比为标准配比，即54Fe29Ni17Co，所述Kovar合金箔片的厚度为10~100μm，所述纯银箔的纯度≥99.9%，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
图2为本发明实施例提供的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法的步骤流程示意图。参照图2，空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，包括：
S21、将分别经过预处理的Kovar合金箔片和纯银箔，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；
S22、将所述组合坯料在真空或惰性气体环境下进行轧制复合连接，其中，轧制温度为500~850°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.02m/s~0.5m/s；
S23、将所述组合坯料轧制复合之后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中退火温度为400~750°C，退火时间为0.5~2h，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
进一步地，为达到更好的界面结合质量、减小Kovar合金与银箔之间的热物性梯度、保证热压扩散前组合坯料平整以及实现快速轧制复合连接，对所述组合坯料在恒定温度为500~850°C的范围内进行轧制复合，同时对轧制后试件进一步退火处理。
在本发明实施例中，在所述空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中，真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
在空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯银箔进行的预处理包括：采用异丙醇、1#电子清洗液等清洗，以去除银箔表面的油污以及采用25%的氢氟酸水溶液去除银箔表面的氧化层；对所述Kovar合金箔片进行的预处理包括：采用异丙醇、1#电子清洗液等清洗，以去除Kovar合金箔片表面的油污以及采用5%的硫酸和盐酸的混合溶液去除Kovar合金箔片表面的氧化层。
实施例1
空间用可伐/银金属层状复合材料中的中间层采用50μm厚的Kovar合金箔片，面层采用厚度为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，三层之间通过热压扩散连接结合为一体，上中下三层之间通过化学键连接，将该空间用可伐/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳能电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面为未出现脱落现象。
制备空间用可伐/银金属层状复合材料的作业如下操作: 将两块20μm厚的银箔依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液等去除银箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔表面的氧化层；同时将一块50μm厚的Kovar合金箔片表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后Kovar合金表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除Kovar合金表面的氧化层，银箔的尺寸与Kovar合金箔片一致，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为700°C，压下率为20%，轧制速度为0.2m/s，轧制复合后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为600°C，退火时间为1h，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
实施例2
空间用可伐/银金属层状复合材料中的中间层采用30μm厚的Kovar合金箔片，面层采用厚度为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，三层之间通过热压扩散连接结合为一体，上中下三层之间通过化学键连接，将该空间用可伐/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳能电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面为未出现脱落现象。
制备空间用可伐/银金属层状复合材料的作业如下操作: 将两块20μm厚的银箔依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液等去除银箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔表面的氧化层；同时将一块30μm厚的Kovar合金箔片表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后Kovar合金表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除Kovar合金表面的氧化层，银箔的尺寸与Kovar合金箔片一致，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为700°C，压下率为30%，轧制速度为0.1m/s，轧制复合后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为550°C，退火时间为2h，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
实施例3
空间用可伐/银金属层状复合材料中的中间层采用15μm厚的Kovar合金箔片，面层采用厚度为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，三层之间通过热压扩散连接结合为一体，上中下三层之间通过化学键连接，将该空间用可伐/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳能电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面为未出现脱落现象。
制备空间用可伐/银金属层状复合材料的作业如下操作: 将两块20μm厚的银箔依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液等去除银箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔表面的氧化层；同时将一块15μm厚的Kovar合金箔片表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后Kovar合金表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除Kovar合金表面的氧化层，银箔的尺寸与Kovar合金箔片一致，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为750°C，压下率为35%，轧制速度为0.05m/s，轧制复合后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为500°C，退火时间为2h，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种空间用可伐/银金属层状复合材料，其特征在于，包括：
一层Kovar合金箔片；
两层纯银箔，由作为面层的所述纯银箔和作为中间层的所述Kovar合金箔片叠层“三明治”结构，上中下三层之间通过轧制复合形成化学键连接成一体。
2.如权利要求1所述的空间用可伐/银金属层状复合材料，其特征在于，所述Kovar合金箔片的配比为54%Fe:29%Ni:17%Co。
3.如权利要求1所述的空间用可伐/银金属层状复合材料，其特征在于，所述Kovar合金箔片的厚度为10~100μm。
4.如权利要求1所述的空间用可伐/银金属层状复合材料，其特征在于，所述纯银箔的纯度≥99.9%，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
5.如权利要求1所述的空间用可伐/银金属层状复合材料，其特征在于，所述空间用可伐/银金属层状复合材料是用于空间砷化镓太阳能电池串、并连接。
6.一种空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将分别经过预处理的Kovar合金箔片和纯银箔，按照所述纯银箔、所述Kovar合金箔片和所述纯银箔的顺序叠成“三明治”结构的组合坯料；
将所述组合坯料在真空或惰性气体保护下先进行热轧制复合连接，然后在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火处理完成后，获得空间用可伐/银金属层状复合材料。
7.如权利要求6所述的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述组合坯料进行轧制复合连接，其中，轧制温度为500~850°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.02m/s~0.5m/s。
8.如权利要求6所述的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述组合坯料轧制复合之后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中，退火温度为400~750°C，退火时间为0.5~2h。
9.如权利要求6所述的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
10.如权利要求6所述的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述Kovar合金箔片进行的预处理包括：采用异丙醇、半导体清洗液清洗，以去除Kovar合金箔片表面的油污以及采用5%的硫酸和盐酸的混合溶液去除Kovar合金箔片表面的氧化层。
11.如权利要求6所述的空间用可伐/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述纯银箔进行的预处理包括：采用异丙醇、半导体清洗液清洗，以去除银箔表面的油污以及采用25%的氢氟酸水溶液去除银箔表面的氧化层。
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