CN104874932A - 银铜扩散焊接方法及焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型的银铜扩散焊接方法及其使用的焊接装置。利用该方法和焊接装置可以将多层薄片热沉或者带有微型散热图形的热沉焊接在一起，具有方法简单、焊接成品率高、焊接质量和可靠性好的优点，主要应用于功率型电子元器件、激光器或者光学增益介质的制冷过程中使用的通水热沉及基座的批量化生产。

Description

银铜扩散焊接方法及焊接装置
技术领域
本发明涉及电子、光电子领域封装技术，特别是针对高功率系统包括功率型电子元器件、半导体激光器、固体激光器系统中热源制冷所需要的紫铜(或无氧铜)散热基座或热沉的制备过程中采用的焊接方法及焊接装置。
背景技术
高功率系统中热源往往会产生很多废热，如半导体激光器中的有源区，固体激光器的增益介质(晶体)等等，这些热需要通过合理的散热路径耗散掉，否则会影响整个系统的性能，采用高导热材料如紫铜、无氧铜做为基座或热沉对热源进行液体对流传导制冷是常用的方法之一。为了形成液体制冷通道就会涉及到焊接，通常采用各种规格的银铜焊条、焊丝、焊片等。利用氢氧焰或乙炔焰对热沉或基座整体进行加热，然后在堵头部位进行焊接。焊接温度控制在600摄氏度附近，焊接过程中需要有助焊剂参与。这种焊接方法适用于基座和热沉体积较大，水道尺寸较大，设计简单的情况。随着散热能力需求不断提高而且热沉体积不断缩小，在水道设计中常常会引入微通道的概念，这种散热通道尺度大约在100um左右，而承载微通道的热沉又比较单薄，如果继续使用通常的银铜焊接方法，会在焊接的过程中使微通道变形甚至熔化，而且焊接后容易引入针孔或漏焊部位，出现漏水。此外由于微通道结构尺寸较小，在焊料融化后会对其产生“虹吸”现象，造成微通道堵塞。
本发明是针对这一应用需求，提出了一种新型的银铜扩散焊接方法及其使用的焊接装置。利用该方法和焊接装置可以将多层薄片热沉或者带有微型散热图形的热沉焊接在一起，主要应用于功率型电子元器件、激光器或者光学增益介质的制冷过程中使用的通水热沉及基座的焊接。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种新型的银铜扩散焊接方法及焊接装置，主要是针对功率型电子元器件、激光器或者光学增益介质的制冷过程中使用的通水热沉及基座的焊接。
为达到上述目的，本发明提供了一种银铜扩散焊接焊接方法包括：
A、对所有要焊接的零件进行化学清洗，去除油污、氧化层；
B、在特定零件表面涂覆一层银；
C、将所有要焊接的零件按顺序排列好，放在焊接装置上夹紧，重复的热沉之间用石墨片进行隔离，焊接装置上有弹簧，通过螺块进行力量调节；
D、将装好热沉的整个夹具放入用熔融石英玻璃制成的炉膛内进行充惰性气体或者氢气保护，数分钟后对炉膛进行升温至800摄氏度左右，恒温1-5分钟，然后自然冷却至室温；
E、卸下所需的零件，由于高温下银铜分子相互扩散，形成合金层，零件将会焊接在一起；
F、关闭气体阀门，卸下焊接好的零件，进行试水、机械加工整形等后序工艺。
本发明还提供了该银铜扩散焊接焊接方法所使用的焊接装置，包括左堵头；支撑座；夹块；顶杆；导向支撑；壳体；簧座；簧芯；簧；右堵头；导向丝堵；旋紧螺母。该装置采用不锈钢材料制成。
上述方案中，零件指的是组成散热体(热沉或基座)的各个机械加工件，至少包括两件，零件的材料为紫铜或者无氧铜；
上述方案中，所有零件均必须进行严格化学清洗，表面无油污、氧化层，否则影响焊接质量；化学清洗包括使用三氯乙烯进行去油污处理，使用酸性溶液如硝酸∶磷酸＝1∶10溶液进行去除表面氧化物和抛光处理；
上述方案中，特定零件指的是组成散热体的、其上没有散热图形(如散热肋片、微沟道等)的机械加工件；
上述方案中，散热体焊接后内部应具有液体流动的通道，一个进水口和一个出水口，除了液体通道之外的不规则面积为焊接面；
上述方案中，组成散热体的零件中至少有一件上具有特征尺度较小(100um-500um)、精细的图形，如散热肋片、散热通道等；
上述方案中，零件表面镀银借助电镀工艺进行，镀层厚度为1～2um；
上述方案中，焊接装置中的左堵头、导向支撑、右堵头与壳体采用氩弧焊的方式连接在一起；
上述方案中，被焊接部件放置在支撑座组件上，由压块压紧；
上述方案中，可以通过调节导向丝堵和旋紧螺母对被焊接部件的压力进行调节；
上述方案中，支撑座组件和压块可以根据被焊接的散热体的形状、尺寸进行更换设计；
上述方案中，左堵头、顶杆、导向支撑、簧座、簧芯、右堵头、导向丝堵和旋紧螺母均为同轴的，保证了施加在被焊接部件上的由右向左正向均匀压力；
上述方案中，熔融石英制成的炉膛为一端开放，一端闭合的管状器皿，至少包括一个进气口，一个堵头；
上述方案中，在焊接前20分钟、焊接过程中、焊接结束冷却到室温过程中通过炉膛的进气口对内部进行充气，保护被焊接部件在高温过程中不会发生氧化；
上述方案中，焊接过程中采用惰性气体或者还原气体进行保护，气体流量控制在0.1升/分钟；
上述方案中，对熔融石英管进行加热升温借助常规电阻加热的工艺；
上述方案中，焊接温度一般为800度左右，但由于焊接热沉体积不同，以及炉膛内不同位置的温度不同，所以需要根据实际情况进行调节；
上述方案中，一次可以焊接多个热沉，为了避免热沉之间、热沉与不锈钢支撑座和压块之间相互粘接，采用石墨片进行隔离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，避免了在焊接过程中热沉或基体整体产生氧化；
第二，不会使微型散热结构产生变形；
第三，扩散焊接采用了电镀银层的工艺，可以对银层的厚度和均匀性进行很好的控制，从而可以控制银铜合金的厚度，不会产生漏焊或堵塞现象，焊接成品率和焊接质量得到很大提高；
第四，由于银铜合金的机械强度要比纯铜高，可以提高热沉整体的可靠性。
本发明提供的这种银铜扩散焊接的方法，可以对具有精细图形、微型通道的不规则的两片或多片零件进行焊接形成散热热沉或基座，具有方法简单、焊接成品率高、焊接质量和可靠性好的优点，是采用其他常规的焊接方法无法实现的。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是银铜扩散焊接方法流程图；
图2是焊接用装置图；
图3是实施例中被焊接部件示意图；
图4是实施例中热沉示意图；
附图标记说明：
1：左堵头；2：支撑座组件；3：被焊接件部件；4：夹块；5：顶杆；6：导向支撑；7：壳体；8：簧座；9：簧芯；10：簧；11：右堵头；12：导向丝堵；13：旋紧螺母；301：热沉零件A；302：热沉零件B；303：石墨片；304：被焊接面；305：入水口；306：出水口；307：微通道区域。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明提供的新型银铜扩散焊接方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：对所有零件进行化学清洗，去除油污、氧化层；
步骤102：在特定零件表面涂覆一层银；
步骤103：将所有零件按顺序排列好，放在焊接装置上夹紧；
步骤104：将装好热沉的整个夹具放入用熔融石英玻璃制成的炉膛内，充惰性气体或者氢气保护；
步骤105：对炉膛进行升温至800摄氏度左右，恒温15分钟，使银铜分子相互扩散，形成合金层，充惰性气体或者氢气保护；
步骤106：停止加热，自然冷却至室温，充惰性气体保护；
步骤107：关闭气体阀门，卸下焊接好的零件，进行试水、机械加工整形等后序工艺。
基于图1所述的银铜扩散焊接方法流程图，图4所示的被焊接热沉的焊接过程包括如下步骤：
A.将零件301、302放入烧杯甲中用三氯乙烯溶剂进行超声清洗三遍，然后用丙酮进行清洗三遍，在烧杯甲中倒入异丙醇待用；
B.将烧杯乙中配置好酸性腐蚀抛光液，硝酸∶磷酸＝1∶10，将零件301、302从异丙醇中取出放在烧杯乙中，晃动烧杯乙，等到烧杯乙中的零件表面发亮，迅速取出放入流动的去离子水中冲洗，然后用乙醇进行脱水三遍，丙酮清洗三遍，用干燥的氮气吹干，放入培养皿中待用；
C.将301放入电镀池中进行电镀银，厚度为1-3微米；
D.按照图4箭头所示，将302和301贴合在一起，需要说明的是304为所需要焊接面，可见焊接面不规则，且部分靠近边缘的焊接面细长，不适合采用焊片、焊条等常规焊接方式进行焊接，307为微通道所在区域，该区域有尺寸较小(100um)的通道，如过焊料过多将会产生“虹吸”现象将焊料吸附过微通道中产生堵塞；
E.按照图3所示的顺序将301、302、303放置在支撑座2和夹块4中间，303为石墨片，用来防止焊接装置、热沉之间相互粘结，需要说明的是，对于不同尺寸的零件，支撑座2和夹块4相应地进行配合设计；
F.将图3所示的被焊接部件放入到图2所示的焊接装置中，调节12、13对其施加由右向左的正向力将被焊接部件压紧；
G.将焊接装置放入到熔融石英管中，将石英管中通入氮气，气体流量为0.1升/分左右，持续10分钟左右，借助电阻加热的方式，对石英管进行升温，温度达到800摄氏度左右，恒温3分钟，停止加热，令其自然冷却至室温，关闭氮气阀门；
H.卸下被焊接部件，此时由于银铜分子相互扩散熔接形成合金，301和302被焊接在一起，然后进行试水、机械加工整形等后序工艺即可。
以上所述的具体实施例，是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种银铜扩散焊接方法，用于焊接两块或多块由紫铜材料或无氧铜材料加工而成的零件，该方法包括如下步骤：
A、对所有要焊接的零件进行化学清洗，去除油污、氧化层；
B、在特定零件表面涂覆一层银；
C、将所有要焊接的零件按顺序排列好，放在焊接装置上夹紧，重复的热沉之间用石墨片进行隔离，焊接装置上有弹簧，通过螺块进行力量调节；
D、将装好热沉的整个夹具放入用熔融石英玻璃制成的炉膛内进行充惰性气体或者氢气保护，数分钟后对炉膛进行升温至800摄氏度左右，恒温，然后自然冷却至室温；
E、卸下所需的零件，由于高温下银铜分子相互扩散，形成合金层，零件焊接在一起；
F、关闭气体阀门，卸下焊接好的零件，进行试水、机械加工整形后序工艺。
其中，零件指的是组成散热体的热沉或基座各个机械加工件；特定零件指的是组成散热体的、其上没有散热肋片、微沟道的机械加工件。
2.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，至少其中一块零件上有100um-500um的散热肋片或散热通道。
3.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中散热热沉或基座由至少两块零件组成。
4.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中化学清洗包括使用三氯乙烯进行去油污处理，使用硝酸∶磷酸＝1∶10溶液进行去除表面氧化物和抛光处理。
5.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中热沉焊接后内部具有液体流动的通道，一个进水口和一个出水口，除了液体通道之外的不规则面积为焊接面。
6.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中零件表面镀银借助电镀进行，镀层厚度为1-3um。
7.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中石英玻璃管炉膛为一端开放，一端闭合的管状熔融石英器皿，至少包括一个进气口，一个堵头，堵头上有漏气出口。
8.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中焊接过程中采用惰性气体或者还原气体流量控制在0.1升/分钟。
9.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法，其特征在于，其中对熔融石英管进行加热升温借助常规电阻加热的工艺。
10.如权利要求1所述的银铜扩散焊接方法所用的装置，其特征在于，其中焊接装置采用不锈钢材料制成，从左到右依次为：左堵头、支撑座、夹块、顶杆、导向支撑、壳体、簧座、簧芯、簧、右堵头、导向丝堵、旋紧螺母，其中左堵头、导向支撑、右堵头与壳体采用氩弧焊的方式连接在一起，弹簧调节装置对被焊接部件施加的正向压力进行调节。
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