CN114654069A - 基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法及扩散焊接装置 - Google Patents

基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法及扩散焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法及扩散焊接装置，步骤如下：对钼铜合金以及铜的待焊面进行清洁并干燥；将铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上；利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加预压力；抽真空至扩散焊炉内气压低于预定值，启动脉冲电流发生器，加热至扩散焊接温度；对板材施加预定轴向压力并焊接；关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力；焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力。在超声辅助焊接后采用脉冲加压焊接可以避免板材晶粒的异常长大，有效地破碎在接头间形成的金属间化合物，降低其对接头的有害作用，提高接头结合强度。

Description

基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方 法及扩散焊接装置
技术领域
本发明涉及电子、光电子领域封装技术领域，具体涉及一种基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法和应用。
背景技术
随着工业技术的不断发展，国防、电子工业、新型能源、航空航天等高科技技术领域使用的电子设备功率越来越大，集成度越来越高，其在工作过程中会产生大量的热量，散热问题已成为制约这些行业发展的瓶颈。传统的单一金属已难以满足复杂服役环境下的工业生产需求；因此，人们开始利用不同金属材料的优良特性，将异种金属材料通过焊接的方法连接起来以达到使用要求。
钼具有熔点高、硬度高、热膨胀系数与半导体材料相近、热稳定性好等特性，铜具有极佳的导电导热性能、良好的加工性及一定的延展性；钼铜合金既具有钼的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整材料的成分而加以设计，而且钼铜合金的密度比钨铜小很多，因此其在航空航天、雷达、RF通讯模块、光纤通讯模组、LED芯片以及微波基板等领域具有重要的应用及发展前景。
由于钼和铜的物理化学性能差别很大，实现这两种材料的连接比较困难。目前其连接的技术难点主要有：（1）钼和铜的熔点、热膨胀系数及导热率等有很大差异，使用传统的熔焊方法进行焊接时，很难获得满意的接头。（2）钼和铜在热膨胀系数上的差异，会导致焊接瞬时热膨胀量不同，焊接件产生明显的热变形，从而使工件失效。（3）钼、铜与氧的亲和力较大，容易被氧化生成氧化膜，现有的去膜方法效果不理想且不能防止二次氧化膜的出现，从而影响钼和铜的表面接触。因此实现钼铜合金和铜的优质连接，充分发挥二者的优点，获得散热性能良好、连接强度高、热膨胀系数低的钼铜合金具有重要的学术意义和实用价值。
目前实现钼铜合金和铜的连接方法有热喷涂法、轧制复合法、***复合法、激光熔覆法、扩散焊接法等。热喷涂法制备的涂层致密度低，容易产生孔隙；轧制复合法获得的界面结合强度不高；激光熔覆法则因为钼铜之间不互溶而难以达到冶金结合效果；***复合法的冲击和噪声大，材料易产生裂纹，且受到场地限制；扩散焊接可以实现性能相差很大、互不溶解的钼和铜的连接，但是传统的扩散连接需要在加热炉中整体加热，升温速率慢，焊接时温度高，原子扩散速率低，焊接周期较长且界面间存在金属间化合物。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法，并进一步提出一种用于实现上述方法的扩散焊接装置，以解决上述背景技术中存在的技术问题。
技术方案：第一方面，提出一种基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法，该方法步骤如下：
步骤1：将钼铜合金以及铜的待焊面依次进行砂纸打磨、碱洗、酸洗，并在酒精溶液中超声波清洗10min以去除表面杂质、油污、氧化膜等，然后在干燥炉中干燥备用；
步骤2：将铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上，进行扩散焊接实验；
步骤3：利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加2MPa的预压力，关闭炉门；
步骤4：抽真空至扩散焊炉内气压低于1×10-3Pa，启动脉冲电流发生器，进行加热，以20℃/min的升温速率升温至扩散焊接温度；
步骤5：对板材施加5MPa的轴向压力，启动超声波发生器，超声功率为800W，振幅为5μm，频率为20~30kHz，在5MPa的恒定轴向压力下进行超声辅助焊接;
步骤6：关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力，脉冲频率为0.1Hz，脉冲次数为20~40次；
步骤7：焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力，随炉冷却至100℃以下，停止抽真空，取出连接件。
在第一方面进一步的实施例中，所述步骤2中脉冲电流等离子扩散焊炉上、下电极材料均为石墨。
在第一方面进一步的实施例中，所述步骤5中，施加的脉冲压力由液压驱动装置产生，脉冲压力大小由置于上压头和压块之间的压力传感器实时测量获得；所述脉冲加压的压力值为5~20MPa。
在第一方面进一步的实施例中，所述步骤4中待焊件温度由红外温度传感器实时测量，焊接温度为760~850℃。
在第一方面进一步的实施例中，所述步骤5中，超声辅助焊接时间为3min。
第二方面，提出扩散焊接装置，该装置包括施加超声辅助的超声发生装置及传导***，施加轴向扩散连接压力的液压***以及施加脉冲电流加热的脉冲电场发生装置及传导***。
施加超声辅助的超声发生装置及传导***包括位于炉体外的超声波发生器、换能器以及穿过炉体的变幅杆和位于炉体内的超声传递杆；所述超声波发生器与换能器相连，所述超声传递杆与待扩散连接板材钼铜合金板上表面紧密接触，钼铜合金板在超声发生装置及传导***的共同作用下做横向移动。
所述施加轴向扩散连接压力的液压***包括液压缸、活塞、液压油路及液压装置；所述液压装置通过液压油路与液压缸连接，所述活塞位于液压缸内，所述活塞通过液压油的压力作用压紧在上压头上，所述上压头压紧在压力传感器上，所述压力传感器压紧在压块上，所述上压头对钼铜合金板及铜板施加的恒定轴向压力和脉冲压力由液压***提供。
所述施加脉冲电流加热的脉冲电场发生装置及传导***包括上电极块、脉冲电流发生器、导线、下电极块；所述脉冲电流发生器的正负极通过导线分别与上电极块和下电极块相连，所述待连接的钼铜合金板及铜板分别与上电极块和下电极块紧密结合，所述下电极块连接有下压头；所述待连接板材的温度由温度传感器实时测得，所述温度传感器安装在温度传感器安装座上，所述温度传感器安装座固定在炉体上，所述真空泵用于对炉体内抽真空。
有益效果：
本发明利用脉冲电流的焦耳热效应对待连接板材进行加热，升温速率快，有效解决了传统扩散连接需要对扩散焊炉整体加热，导致加热速度慢、能源损耗大、连接效率低的问题；同时能使钼铜合金和铜在基体低温状态下形成致密的结合，有利于组织的均匀化并改善其性能，显著降低接头热应力，提高接头结合强度。
本发明利用超声辅助和脉冲电流加热可以提高材料的表面能，显著增大原子扩散速率，促进元素扩散，缩短焊接过程中的保温时间，提高焊接效率。
本发明利用超声振动使待焊件的两个连接面产生相对摩擦，通过相互摩擦使待焊件材料表面的氧化膜破裂，可有效解决材料表面氧化膜难去除及产生二次氧化膜的问题。
本发明在超声辅助焊接后采用脉冲加压焊接可以避免板材晶粒的异常长大，有效地破碎在接头间形成的金属间化合物，降低其对接头的有害作用，提高接头结合强度；脉冲加压使得连接表面产生微观塑性变形，增大界面的实际接触面积；连续的冲击压力引发再结晶，使晶粒细化，在连接表面产生许多原子激活中心，加速界面原子键合。
在本发明的焊接过程中，超声可以加载在钼铜合金片或铜片上，也可以加载在夹具上，因此超声的加载位置灵活多变。
本发明采用的超声振动结合脉冲电流加热、脉冲加压的扩散焊接方法实现了钼铜合金与铜的高效、高质量连接。
附图说明
图1是利用脉冲电流加热、在焊接过程中施加超声振动的钼铜合金和铜的脉冲加压扩散连接流程图。
图2是利用脉冲电流加热，在焊接过程中施加超声振动的钼铜合金和铜的脉冲加压真空扩散焊接装置结构示意图。
图3是实施例一中得到的钼铜合金/铜连接件的金相图。
图4是实施例二中得到的钼铜合金/铜连接件的金相图。
图5是实施例三中得到的钼铜合金/铜连接件的金相图。
图中各附图标记为：超声波发生器1、换能器2、变幅杆3、超声传递杆4、炉体5、液压缸6、活塞7、液压油路8、液压装置9、上压头10、压力传感器11、压块12、上电极块13、钼铜合金板14、铜板15、脉冲电流发生器16、导线17、下电极块18、真空泵19、下压头20、温度传感器21、温度传感器安装座22。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
实施例一：
利用脉冲电流加热，在焊接过程中施加超声振动实现钼铜合金和铜的连接，扩散连接的工艺条件为：焊接温度为760℃，脉冲压力为5~15MPa，超声辅助焊接时间为3min，恒定轴向压力为5MPa，超声波功率为800W，超声波振幅为5μm，超声波频率为25kHz，脉冲电流占空比为12（on）:2（off）。
步骤1：将钼铜合金和铜的待焊面依次用800#、1000#及1200#砂纸打磨以保证其表面光滑，然后进行碱洗，酸洗，并在酒精溶液中超声清洗10min，放在干燥炉中干燥备用；
步骤2：将步骤一得到的铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上，进行扩散焊接实验；扩散焊接实验时采用如图2所示的脉冲加压真空扩散焊接装置来实现。
该装置包括施加超声辅助的超声发生装置及传导***，施加轴向扩散连接压力的液压***以及施加脉冲电流加热的脉冲电场发生装置及传导***。
施加超声辅助的超声发生装置及传导***包括位于炉体5外的超声波发生器1、换能器2以及穿过炉体5的变幅杆3和位于炉体5内的超声传递杆4；所述超声波发生器1与换能器2相连，所述超声传递杆4与待扩散连接板材钼铜合金板14上表面紧密接触，钼铜合金板14在超声发生装置及传导***的共同作用下做横向移动。
所述施加轴向扩散连接压力的液压***包括液压缸6、活塞7、液压油路8及液压装置9；所述液压装置9通过液压油路8与液压缸6连接，所述活塞7位于液压缸6内，所述活塞7通过液压油的压力作用压紧在上压头10上，所述上压头10压紧在压力传感器11上，所述压力传感器11压紧在压块12上，所述上压头10对钼铜合金板14及铜板15施加的恒定轴向压力和脉冲压力由液压***提供。
所述施加脉冲电流加热的脉冲电场发生装置及传导***包括上电极块13、脉冲电流发生器16、导线17、下电极块18；所述脉冲电流发生器16的正负极通过导线17分别与上电极块13和下电极块18相连，所述待连接的钼铜合金板14及铜板15分别与上电极块13和下电极块18紧密结合，所述下电极块18连接有下压头20；所述待连接板材的温度由温度传感器21实时测得，所述温度传感器21安装在温度传感器安装座22上，所述温度传感器安装座22固定在炉体5上，所述真空泵19用于对炉体5内抽真空。
步骤3：利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加2MPa的预压力，关闭炉门；
步骤4：抽真空至扩散焊炉内气压低于1×10-3Pa，启动脉冲电流发生器，进行加热，以20℃/min的升温速率升温至760℃；
步骤5：对板材施加5MPa的轴向压力，启动超声波发生器，超声功率为800W，振幅为5μm，频率为20~30kHz，在5MPa的恒定轴向压力下超声辅助焊接3min;
步骤6：关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力，脉冲压力最小值为5MPa，最大值为15MPa，脉冲频率为0.1Hz，脉冲次数为20次；
步骤7：焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力，随炉冷却至100℃以下，停止抽真空，取出连接件。
对具体实施例一得到的钼铜合金/铜的连接件进行了金相组织观察，如图4所示，通过图4可以看到实现了钼铜合金和铜的连接，但是存在明显的焊缝，有较多的孔洞，结合不够紧密，说明原子扩散不够充分。其中图4左侧为钼铜合金，右侧为铜。
实施例二：
利用脉冲电流加热，在焊接过程中施加超声振动实现钼铜合金和铜的连接，扩散连接的工艺条件为：焊接温度为790℃，脉冲压力为5~17.5MPa，超声辅助焊接时间为3min，恒定轴向压力为5MPa，超声波功率为800W，超声波振幅为5μm，超声波频率为25kHz，脉冲电流占空比为12（on）:2（off）。
步骤1：将钼铜合金和铜的待焊面依次用800#、1000#及1200#砂纸打磨以保证其表面光滑，然后进行碱洗，酸洗，并在酒精溶液中超声清洗10min，放在干燥炉中干燥备用；
步骤2：将步骤一得到的铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上，进行扩散焊接实验；
步骤3：利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加2MPa的预压力，关闭炉门；
步骤4：抽真空至扩散焊炉内气压低于1×10-3Pa，启动脉冲电流发生器，进行加热，以20℃/min的升温速率升温至790℃；
步骤5：对板材施加5MPa的轴向压力，启动超声波发生器，超声功率为800W，振幅为5μm，频率为20~30kHz，在5MPa的恒定轴向压力下超声辅助焊接3min;
步骤6：关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力，脉冲压力最小值为5MPa，最大值为17.5MPa，脉冲频率为0.1Hz，脉冲次数为30次；
步骤7：焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力，随炉冷却至100℃以下，停止抽真空，取出连接件。
对具体实施例二得到的钼铜合金/铜的连接件进行了金相组织观察，如图5所示，通过图5可以看到钼铜合金和铜结合紧密，焊合率达到90%以上，存在少量孔洞，相较于图4所示的钼铜合金金相图，焊缝已较浅，界面结合质量得到提高。其中图5左侧为钼铜合金，右侧为铜。
实施例三：
利用脉冲电流加热，在焊接过程中施加超声振动实现钼铜合金和铜的连接，扩散连接的工艺条件为：焊接温度为820℃，轴向恒定脉冲压力为5MPa，超声辅助焊接时间为3min，脉冲压力为5~20MPa，超声波功率为800W，超声波振幅5μm，超声波频率为25kHz，脉冲电流占空比为12（on）:2（off）。
步骤1：将钼铜合金和铜的待焊面用800#、1000#及1200#砂纸打磨以保证其表面光滑，然后进行碱洗，酸洗，并在酒精溶液中超声清洗10min，放在干燥炉中干燥备用；
步骤2：将步骤一得到的铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上，进行扩散焊接实验；
步骤3：利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加2MPa的预压力，关闭炉门；
步骤4：抽真空至扩散焊炉内气压低于1×10-3Pa，启动脉冲电流发生器，进行加热，以20℃/min的升温速率升温至820℃；
步骤5：对板材施加5MPa的轴向压力，启动超声波发生器，超声功率为800W，振幅为5μm，频率为20~30kHz，在5MPa的恒定轴向压力下超声辅助焊接3min;
步骤6：关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力，脉冲压力最小值为5MPa，最大值为20MPa，脉冲频率为0.1Hz，脉冲次数为40次；
步骤7：焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力，随炉冷却至100℃以下，停止抽真空，取出连接件。
对具体实施例三得到的钼铜合金/铜的连接件进行金相组织观察，可以看到钼铜合金和铜结合紧密，焊合率达到近100%，界面处无缺陷，没有微观裂纹和孔洞，组织过渡均匀，难以观察到明显的焊缝，这说明原子扩散充分，界面结合质量高。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.基于脉冲电流加热的钼铜合金热沉超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：对钼铜合金以及铜的待焊面进行清洁并干燥；
步骤2：将铜片置于脉冲电流等离子扩散焊炉下电极块上表面上，钼铜合金片置于铜片上，进行扩散焊接实验；
步骤3：利用脉冲电流等离子扩散焊炉的上下压头对材料施加2MPa的预压力，关闭炉门；
步骤4：抽真空至扩散焊炉内气压低于1×10-3Pa，启动脉冲电流发生器，进行加热，以20℃/min的升温速率升温至扩散焊接温度；
步骤5：对板材施加预定轴向压力并焊接；
步骤6：关闭超声波发生器，对板材施加轴向脉冲压力，脉冲频率为0.1Hz，脉冲次数为20~40次；
步骤7：焊接结束后，关闭脉冲电流发生器，卸除轴向压力，随炉冷却至100℃以下，停止抽真空，取出连接件。
2.根据权利要求1所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：将钼铜合金以及铜的待焊面依次进行砂纸打磨、碱洗、酸洗，并在酒精溶液中超声波清洗10min以去除表面杂质、油污、氧化膜，然后在干燥炉中干燥备用。
3.根据权利要求1所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，所述步骤2中脉冲电流等离子扩散焊炉上、下电极材料均为石墨。
4.根据权利要求1所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，所述步骤5中，施加的脉冲压力由液压驱动装置产生，脉冲压力大小由置于上压头和压块之间的压力传感器实时测量获得；所述脉冲加压的压力值为5~20Mpa。
5.根据权利要求1所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，所述步骤4中待焊件温度由红外温度传感器实时测量，焊接温度为760~850℃。
6.根据权利要求1所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，步骤5进一步包括：对板材施加5MPa的轴向压力，启动超声波发生器，超声功率为800W，振幅为5μm，频率为20~30kHz，在5MPa的恒定轴向压力下进行超声辅助焊接。
7.根据权利要求6所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，所述步骤5中，超声辅助焊接时间为3min。
8.扩散焊接装置，用于实现权利要求1至7中任一项所述的超声辅助扩散连接制造方法，其特征在于，包括：
超声发生装置及传导***，用于施加超声辅助；
液压***，用于施加轴向扩散连接压力；
脉冲电场发生装置及传导***，用于施加脉冲电流加热。
9.根据权利要求8所述的扩散焊接装置，其特征在于，所述超声发生装置及传导***包括：
超声波发生器、换能器，位于炉体外；
变幅杆，穿过炉体；
超声传递杆，位于炉体内；
所述超声波发生器与换能器相连，所述超声传递杆与待扩散连接板材钼铜合金板上表面紧密接触，钼铜合金板在超声发生装置及传导***的共同作用下做横向移动；
所述液压***包括：
液压装置，通过液压油路与液压缸连接；
活塞，位于所述液压缸内，通过液压油的压力作用压紧在上压头上；
所述上压头压紧在压力传感器上，所述压力传感器压紧在压块上，所述上压头对钼铜合金板及铜板施加的恒定轴向压力和脉冲压力由液压***提供。
10.根据权利要求8所述的扩散焊接装置，其特征在于，所述脉冲电场发生装置及传导***包括：上电极块、脉冲电流发生器、导线、下电极块；所述脉冲电流发生器的正负极通过导线分别与上电极块和下电极块相连，待连接的钼铜合金板及铜板分别与上电极块和下电极块紧密结合，所述下电极块连接有下压头；所述待连接板材的温度由温度传感器实时测得，所述温度传感器安装在温度传感器安装座上，所述温度传感器安装座固定在炉体上，所述真空泵用于对炉体内抽真空。
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