CN102764922A

CN102764922A - 一种大面积焊接方法

Info

Publication number: CN102764922A
Application number: CN2012102433728A
Authority: CN
Inventors: 陈三斌; 周寿桓; 唐晓军
Original assignee: CETC 11 Research Institute
Current assignee: CETC 11 Research Institute
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102764922B

Abstract

本发明公开了一种大面积焊接方法，在第一焊接部件的焊接面上制作第一焊接膜，在第二焊接部件的焊接面上制作第二焊接膜，其中，制作好的第一焊接膜的微观结构为柱状结构，且第一焊接膜的材料的熔点t高于第二焊接膜的材料的熔点t₁，第一焊接膜的材料与第二焊接膜的材料能形成金相组织；在两焊接膜相接触的情况下，将第二焊接部件加热至温度t₂，且t₁<t₂<t，以使成为液相的第二焊接膜与固相的第一焊接膜的疏松结构侵润，之后冷却完成焊接。本发明有效地解决了大面积焊接时由于焊件面型问题，在接合面容易残存气泡而导致焊接失效的问题。

Description

一种大面积焊接方法

技术领域

本发明涉及微电子领域，特别是涉及一种大面积焊接方法。

背景技术

在固体激光器设计中，为了提高激光器的输出，首要解决的问题是提高激光工作物质的散热能力，较好的选择是增大工作物质的散热面积，因此随着激光器技术的发展，激光工作物质更多的被设计成板条状、薄片状或光纤等。在板条和薄片激光器中，虽然工作物质的散热面积得到增大，但如何将工作物质的热量尽快带走成为了新的问题，目前采用的散热结构有以水直接冷却或通过焊接热沉进行接触冷却等。比较而言，焊接冷却热沉是板条和薄片激光器设计的较佳选择。但是，板条和薄片激光器的热沉焊接面积较大，由于焊接面积过大，焊接热沉的过程中有诸多复杂因素影响，使得焊接面的结合不紧密，导致工作物质与热沉之间的散热不均匀，焊接失效，特别在大功率激光输出情况下，将严重影响激光器的性能。

目前在电子行业中，无铅焊料的研究取得了很大进展，其中铟-金体系具有焊接温度低，焊接产物熔点高，反应速度快等优点，但是，当遇到焊接面积过大的情况时，很难实现加工晶体面型和金属热沉面型的一致，导致在焊接过程中加工晶体和金属热沉的焊接面扣合时，接合面上产生一定数量的气泡，影响焊接效果，并且焊接面积越大，产生气泡的数量越多，面积越大，这是造成大面积焊接失效的主要原因之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大面积焊接方法，用以解决现有技术中大面积焊接时的焊接失效问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种大面积焊接方法，包括：步骤①，在第一焊接部件的焊接面上制作第一焊接膜，在第二焊接部件的焊接面上制作第二焊接膜，其中，所述第一焊接膜的微观结构为柱状结构，第一焊接膜的材料的熔点t高于第二焊接膜的材料的熔点t₁，第一焊接膜的材料与第二焊接膜的材料能形成金相组织；步骤②，令所述第一焊接膜和所述第二焊接膜相接触，将第二焊接部件加热至温度t₂，且t₁<t₂<t，以使成为液相的第二焊接膜与第一焊接膜的微观结构侵润；以及，步骤③，对第一焊接部件和第二焊接部件降温，完成焊接。

进一步地，本发明的大面积焊接方法还包括第一加热阶段、保温阶段和第二加热阶段，其中，第一加热阶段为将第二焊接部件加热到温度t₃，其中t₃<t₁；保温阶段为在预定时间段内，维持第二焊接部件的温度始终为t₃；以及第二加热阶段为将第二焊接部件的温度由t₃加热至t₂。

进一步地，本发明的大面积焊接方法还包括降温阶段和自然冷却阶段，其中，降温阶段为将第二焊接部件降温至t₄，其中t₄<t₁；自然冷却阶段为令第二焊接部件的温度由t₃自然降至室温。

进一步地，在步骤①之前对所述第一焊接部件和/或第二焊接部件进行金属化处理，对所述第一焊接部件的金属化处理包括：在所述第一焊接部件的焊接面上依次覆镀镍层和金层，对所述第二焊接部件的金属化处理包括：在所述第二焊接部件的焊接面上依次覆镀钛层、镍层、金层。

进一步地，本发明的大面积焊接方法利用倾斜角沉积法或氩离子铣削法制作所述第一焊接膜。

本发明有益效果：本发明的大面积焊接方法利用焊接层制作工艺的改进，制作出焊接层的微观疏松结构，有利于焊接时液相焊接层的侵润，焊接时液态侵润后重新分布，可充分填充由于面型加工误差造成的焊接面结合不紧密的位置，采用倾斜角沉积法形成的疏松的柱状微结构具有微通道的功能，有利于排除两个大面积焊接面紧贴时产生的气泡，本发明考虑了加热和降温过程中的热内应力问题，有助于提高焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例中的焊接流程图。

图2是本发明实施例中膜层的微观结构示意图。

图3是本发明实施例中倾斜角沉积法的制作工艺示意图。

图4是本发明实施例中以倾斜角沉积法制作出的膜层的扫描电镜图像。

图5是本发明实施例中要焊接的激光增益介质和冷却热沉的正视图。

图6是本发明实施例中要焊接的激光增益介质和冷却热沉的侧视图。

图7是本发明实施例中对激光增益介质的金属化处理示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术焊接面的面型误差问题，本发明提供了一种大面积焊接方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

图1为本发明的大面积焊接方法的流程图，本发明实施例涉及一种大面积焊接方法，具体为：

首先，在待焊接的两焊接件的焊接面上分别制作焊接膜。焊接膜是覆盖于焊接面上的金属材料层，本发明使用熔点不同的两种金属制作焊接膜，其中熔点高的焊接膜为具有独立柱状结构的微观结构，当熔点低的焊接膜材料为液相时，可与熔点高的焊接膜形成金相组织。

以铟-金体系为例，铟的熔点低于金的熔点，在两焊接件的焊接面上分别制作铟层和金层，然后实施焊接。其中，铟层为常规的薄膜或涂层结构，金层为具有微观疏松结构的膜层，图2示意性地示出了金层的微观结构，其由相互独立的金柱1形成，在焊接件2的表面生成而成，相对于常规焊层的薄膜或涂层，该金层是微观的疏松结构。

在制作铟层时，采用常规的电镀法、溅射法或蒸镀法等。在某实施例中采用蒸镀法，蒸镀法是在真空环境中将材料加热进而镀到基片上的过程。蒸镀时，利用热蒸发或电子枪真空蒸发设备，将铟置于真空中进行加热，使其蒸发气化，铟沉积于焊接件的表面，形成的薄膜或涂层即铟层。

在制作金层时，为了使材料形成微观的疏松结构，需采用不同于常规的镀膜方法。本实施例采用倾斜角沉积法（Glancing angle depositon,GLAD）制作金层，倾斜角沉积法是将基片倾斜一定角度，控制气流入射方向与基片表面法线方向的夹角，同时基片旋转，从而得到具有独立金柱微观结构的金层。图3为倾斜角沉积法的制作工艺示意图，在真空设备10中，焊接件基底20夹持固定在与步进电机的转轴相连的支架上，膜料（本实施例中为金）从蒸发源到焊接件基底的方向（即沉积方向）30与焊接件基底的法线形成夹角a，在膜料蒸发气化沉积的过程中，焊接件基底随电机转轴转动，则膜料在基底上沉积出的膜层为疏松结构膜层，图4所示为以倾斜角沉积法制作出的膜层的微观结构（扫描电镜图像，扫描电镜Scanning Electron Microscope,SEM），可见，该膜层是在基底面型上生长的、相互独立且数量巨大的柱状结构，这样的疏松结构具有微通道功能，当液相侵润时，可排除两相间气泡的存在，且该微观结构的毛细作用可促进两相充分结合，使液相侵润时填充充分。其中，调整焊接件基底的高度和方位至合适的位置，可提高沉积膜层的均匀程度；调节夹角a，可控制柱状结构的疏松程度；改变电机的转速可影响柱状结构的粗细。

在另一实施例中，采用氩离子铣削法制作金层的疏松结构。首先在焊件的焊接面上覆镀金薄膜，在金薄膜上旋涂一层光致抗蚀剂，于烘烤炉内烘烤，涂层变硬，以网格掩模板（网格单元的尺寸为百纳米数量级）接触涂层，进行曝光，曝光后将焊件在显影液中浸泡，被曝光的部分光致抗蚀剂被侵蚀掉，暴露出下层的金薄膜，则剩余的覆盖在金薄膜上的抗蚀剂层的图案与掩模板的网格相同，再一次放回烘烤炉内烘烤，使得涂层变硬并除去水分，则剩余的抗蚀剂层充当保护层，覆盖金薄膜上。移至氩离子加工处，将焊件放在真空系统内的负电极上，系统正极由氩离子枪组成，高速离子到达负极时以高动能敲打焊件表面，则未被覆盖的金薄膜的金受撞击而离开，抗蚀涂层能够经受住离子轰击，仍留在焊件上。由此，暴露出的金薄膜被氩离子蚀刻掉，而带有抗蚀剂层部分的金薄膜未受影响，最后用清洗剂将抗蚀剂层除去，得到与掩模板的网格图案相同的金层，由于网格单元的尺寸为百纳米数量级，因此得到的金层具有微观上的疏松结构。

然后，铟层和金层分别制作完成后实施焊接。将两焊接件放入真空焊接炉的加热件上，用夹具固定使铟层和金层相接触，焊接炉中的真空度保持在10^-5Pa以上。将两焊接件的温度同时加热到高于铟的熔点（铟的熔点156.61℃）、但低于金的熔点（金的熔点1064℃），铟成为液相，与具有疏松结构的金侵润，形成铟金相。侵润时，由于金层具有微观的疏松结构，形成的微通道是良好的倒气通道，可排除两相间的气泡，促进铟与金的充分结合，且在外力和毛细作用下，液相铟迅速进入金层，对金层的疏松结构完全填充，并且在此过程中还可调整铟的分布，弥补由于两焊接面的面型误差造成的接触不良，形成良好的焊层。上述步骤完成后将焊接件降温，完成焊接过程。

上述过程中，在将两焊接件的温度同时加热到高于铟的熔点之前，可先将两者的温度加热到设定温度，设定温度低于铟的熔点，例如迅速加热到150℃，经过一段时间（约20-30分钟）的保温，使两焊接件的内部温差得到平衡，之后再将温度在设定时间内（约5-10分钟）提高至高于铟的熔点。

上述过程中，在降温阶段，在焊接件温度略低于铟的熔点之后，令焊接件自然冷却，可降低热内应力。

另外，本实施例中，针对板条激光器采用的激光增益介质和冷却热沉实施焊接，图5和图6是要焊接的增益介质和热沉的正视图和侧视图，热沉101和增益介质103之间为焊层102，上、下部分的结构是对称的。在实施焊接前，对增益介质103和热沉101进行以下预处理。

首先，对热沉的焊接面进行金属化处理，先电镀镍层，作为阻挡层，用以防止基质材料与铟发生反应；然后在镍层上再镀金层，作为与铟反应、形成与热沉接触的焊接层；最后在该金层上制作焊接膜，即铟层。

其次，对于激光增益介质，其焊接面上镀有光学介质膜，在该光学介质膜上进行金属化处理，采用物理气相沉积法（PVD）依次镀上钛层、镍层和金层，如图7所示。然后，在该金层上制作焊接膜，即制作具有微观疏松结构的金层。

最后，送入真空加热设备中，按照上述实施例的步骤实施焊接即可。

上述实施例中的铟可替换为金属锡，锡的熔点为232℃，与金焊接完成后形成锡金相焊层。

本发明所述实施例中用来制作焊接膜的两种金属材料需符合以下条件：熔点不同，且熔点高的焊接膜能够在基底上形成独立柱状结构的微观结构，并且当熔点低的焊接膜材料为液相时，可与熔点高的焊接膜侵润，形成金相组织。凡满足上述条件的金属材料，都可利用本发明提供的方法实施焊接。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims

1.一种大面积焊接方法，其特征在于，包括：

步骤①，在第一焊接部件的焊接面上制作第一焊接膜，在第二焊接部件的焊接面上制作第二焊接膜，其中，所述第一焊接膜的微观结构为独立的柱状结构，第一焊接膜的材料的熔点t高于第二焊接膜的材料的熔点t₁；

步骤②，在真空环境中，令所述第一焊接膜和所述第二焊接膜相接触，将第二焊接部件加热至温度t₂，且t₁＜t₂＜t，以使成为液相的第二焊接膜与第一焊接膜的微观结构侵润，形成金相组织；以及，

步骤③，对第一焊接部件和第二焊接部件降温，完成焊接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤②包括：第一加热阶段、保温阶段和第二加热阶段，其中，

第一加热阶段为将第一焊接部件和第二焊接部件加热到温度t₃，其中t₃＜t₁；

保温阶段为在预定时间段内，维持第二焊接部件的温度始终为t₃；以及，

第二加热阶段为将第一焊接部件和第二焊接部件的温度由t₃加热至t₂。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤③包括降温阶段和自然冷却阶段，其中，

降温阶段为将第一焊接部件和第二焊接部件降温至t₄，其中t₄＜t₁；

自然冷却阶段为对温度为t₄的第一焊接部件和第二焊接部件进行自然冷却。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤①之前，对所述第一焊接部件和/或第二焊接部件进行金属化处理。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述第一焊接部件的金属化处理包括：在所述第一焊接部件的焊接面上依次覆镀镍层和金层。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述第二焊接部件的金属化处理包括：在所述第二焊接部件的焊接面上依次覆镀钛层、镍层、金层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用倾斜角沉积法制作所述第一焊接膜，在真空设备中，将第一焊接部件固定在与步进电机的转轴相连的支架上，使第一焊接膜的膜料从蒸发源到第一焊接部件的方向与第一焊接部件的法线具有一夹角，在膜料蒸发气化沉积的过程中，第一焊接部件随电机转轴转动，膜料在第一焊接部件上沉积出具有微观结构的膜层。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一焊接膜的材料为金。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二焊接膜的材料为铟或锡。