CN107335937B - 制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法以及提高铝合金电子器件封装气密性的方法。所述制造方法包括：将电子元件置于铝合金壳体中，对铝合金壳体的缝隙进行焊接；对所述焊接形成的焊缝进行清洁处理；设置覆盖焊缝外表面的待熔覆粉末层，进行激光熔覆并控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在所述焊缝上形成致密结合层，其中，所述第一温度为所述电子元件的温度耐受上限值。本发明能够显著提高铝合金电子器件封装的气密性和成品率，且无需外加保护气体，成本低、操作简便。

Description

制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，具体来讲，涉及一种具有优良封装气密性的铝合金电子器件的制造方法，以及一种提高铝合金电子器件封装气密性的方法。
背景技术
轻型化和微型化的铝合金电子器件作为航空航天等领域的重要电子设备组件，为了保护器件中的裸芯片免受环境腐蚀和机械破坏，必须将裸芯片封装在气密壳体内。
近年来，随着工程应用对电子器件密封性严酷等级的提高，新设计产品几乎都采用激光焊接进行封装。然而，即使采用最先进的激光焊接设备和最优化的焊接工艺，也非常难以使产品的气密性合格率达到95％以上，如果按照标准GJB548B-2005的要求，废品率甚至更高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够大幅提高铝合金电子器件封装气密性和成品率的方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法。所述方法包括步骤：将电子元件置于铝合金壳体中，对铝合金壳体的缝隙进行焊接；对所述焊接形成的焊缝进行清洁处理；设置覆盖焊缝外表面的待熔覆粉末层，进行激光熔覆并控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在所述焊缝上形成致密结合层，其中，所述第一温度为所述电子元件的温度耐受上限值。
本发明的另一方面提供了一种提高铝合金电子器件封装气密性的方法。所述方法包括步骤：对通过焊接完成封装的铝合金电子器件的焊缝进行清洁处理；设置覆盖焊缝外表面的待熔覆粉末层，进行激光熔覆并控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在所述焊缝上形成致密结合层，其中，所述第一温度为所述电子元件的温度耐受上限值。
在本发明的一个示例性实施例中，所述待熔覆粉末可由按重量份计1～10份的第一粉末和1份的第二粉末混合而成，其中，第一粉末的成分与铝合金基体的成分相同或与铝合金基体的成分有60～90wt％以上相同；第二粉末可以为铝基硬钎剂。此外，所述待熔覆粉末层的厚度可以在0.1～0.75mm的范围内选择。
在本发明的一个示例性实施例中，所述方法可通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率、熔覆扫描速度和外加冷却夹具的冷却效率中的一项或两项以上的组合来实现控制激光熔覆的温度不高于第一温度。例如，所述方法可通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率和熔覆扫描速度来实现控制激光熔覆的温度不高于100℃，且激光输入功率可控制在300～1500W的范围内，脉冲频率控制在20～5000HZ的范围内，熔覆扫描速度控制在100～1000mm/min的范围内，离焦量控制在-2mm～+5mm的范围内。
附图说明
图1示出了本发明的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法的一个示例性实施例中的激光熔覆步骤的示意图。
图2示出了本发明的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法的一个示例性实施例的致密结合层的宏观形貌的扫描电镜(SEM)图像。
图3示出了图2所示的致密结合层的微观组织形貌的扫描电镜(SEM)图像。
图4示出了本发明的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法的一个示例性实施例的致密结合层的宏观形貌的扫描电镜(SEM)图像。
图5示出了图4所示的致密结合层的微观组织形貌的扫描电镜(SEM)图像。
附图标记说明：
1-高能激光束、2-激光头聚焦镜、3-已熔覆成型的致密结合层、4-含有贯通裂纹、孔洞等缺陷的焊缝、5-待熔覆粉末、以及6-铝合金壳体。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的具有优良封装气密性的铝合金电子器件的制造方法以及提高铝合金电子器件封装气密性的方法。
在本发明的一个示例性实施例中，提高铝合金电子器件封装气密性的方法可通过以下步骤实现：
首先，进行熔覆基体处理和待熔覆粉末处理。这里，熔覆基体处理和待熔覆粉末处理两个步骤无先后之分，也就是说，二者可先后进行或同时进行。
具体来讲，可通将已经焊接完成的铝合金封装器件或者将铝合金封装器件的焊缝放置于有机清洗液中进行超声清洗，随后进行低温干燥处理。例如，超声清洗液可以包括丙酮液，超声清洗的时间可以为5～15分钟，干燥温度可以为40～60℃，干燥时间可以为0.5～1h或更久。然而，应该理解的是本发明不限于此，只要能够对熔覆基体的焊缝表面及其焊缝内的诸如孔隙、裂纹等贯穿缺陷进行有效清洁，且清洗溶液不损坏电子元件和铝合金基体即可。例如，清洗液也可采用无机清洗液，清洗方式也可采用适当强度震荡等清洗方式。
对待熔覆粉末进行干燥处理。通常，以低于待熔覆粉末中任一成分的熔化或反映温度对其进行干燥。例如，干燥温度可以为40～60℃，干燥时间可以为0.5～1h或更久。然而，本发明不限于此。
待熔覆粉末可以由按重量份计1～10份的第一粉末和1份的第二粉末混合而成。其中，第一粉末的成分与铝合金基体的成分相同或相近(例如，第一粉末的成分与铝合金基体的成分有60～90wt％以上；第二粉末可以为铝基硬钎剂。铝基钎剂主要成分为碱金属及碱土金属氯化物、氟化物和Ti、Mg等活性剂。本发明的待熔覆粉末的作用主要包括去除基体上的氧化膜，增加润湿性；并且在熔覆过程中会形成熔渣浮于熔池上保护熔池不被氧化。另外，由第一粉末和第二粉末构成的待熔覆粉末有利于提高致密结合层与基体之间的润湿性，并且使激光熔覆过程可以在大气气氛中进行，不用在真空或惰性气体保护气氛下进行激光熔覆操作，从而能够大幅度降低生产成本，而且能够提高结合层的致密性。
然后，进行激光熔覆，以形成致密结合层。
具体来讲，可将干燥后的待熔覆粉末铺设在铝合金的焊缝表面，形成一定厚度的待熔覆粉末层，随后进行激光熔覆。进一步来讲，可以形成致密且厚度均匀的待熔覆粉末层。例如，待熔覆粉末层的厚度可以在0.1～0.75mm范围内。若待熔覆粉末层的厚度小于0.1mm可能会形成贯穿气孔，气密性降低；若待熔覆粉末层的厚度高于0.75mm，热输入过高，不利于温度控制。
在激光熔覆过程中，控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在焊缝上形成致密结合层。这里，第一温度为封装于电子器件内的电子元件的温度耐受上限值。在常温和该温度耐受上限值之间的温度范围内，电子元件的诸如灵敏性、稳定性等所期望的工作性能不受影响。本发明的一个示例性实施例可通过控制激光输入功率的大小、离焦量的远近、脉冲频率的高低、熔覆扫描速度的快慢和外加冷却夹具的冷却效率中的一项或两项以上的组合来实现控制激光熔覆的温度不高于第一温度。例如，在本发明的一个示例性实施例中，激光输入功率控制在300～1500W的范围内，脉冲频率控制在20～5000HZ的范围内，熔覆扫描速度控制在100～1000mm/min的范围内，离焦量控制在-2mm～+5mm的范围内，从而实现激光熔覆温度不高于100℃。另外，更加优选地，激光输入功率可控制在600～900W的范围内，脉冲频率可控制在500～2000HZ的范围内，熔覆扫描速度可控制在600～800mm/min的范围内，离焦量可控制在1.5～2mm的范围内，以进一步确保产品的质量和合格率。
图1示出了本发明的一个示例性实施例所述的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法中的激光熔覆步骤的示意图。
在本发明的另一个示例性实施例中，制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法可通过以下步骤来实现：
首先，将电子元件(例如，各种传感器元件等，图1中未示出)置于铝合金壳体6(也可称为铝合金基体)中，对铝合金壳体6的缝隙进行焊接(例如，激光焊接、其它焊接等)，形成通常含有贯通裂纹、孔洞等缺陷的焊缝4。
随后，使用本发明的一个示例性实施例的提高铝合金电子器件封装气密性的方法对铝合金基体的焊缝4进行激光熔覆处理。其中，高能激光束1可在激光头聚焦镜2的作用下聚焦在待熔覆粉末上，随着高能激光束的移动扫射，待熔覆粉末经历熔化凝固过程后与焊缝基体形成冶金结合，从而获得致密结合层，以封堵焊缝中存在的贯通裂纹或者气孔等缺陷，提高铝合金电子器件封装焊缝密封性能。
下面结合具体示例对本发明的示例性实施例及其效果做进一步说明和阐述。
示例1
将已完成激光焊接的铝合金封装器件在丙酮中超声清洗10分钟，然后置于烘箱中50±5℃烘干45min待用。经观察，已完成激光焊接的铝合金封装器件的焊缝上形成有多个贯穿的裂纹和通孔，导致其气密性不能满足要求。
将粒度尺寸在30～150μm范围内且成分基本与铝合金基体相同的铝合金粉末作为第一粉末。将其与第二粉末按5:1质量比机械混合均匀以形成待熔覆粉末，将待熔覆粉末放置于55±5℃烘箱中烘干30min待用。其中，第二粉末采用以碱金属氯化物、氟化物和Mg等活性剂构成的铝用硬钎剂。
以0.5mm标准塞尺厚度为基准，将待熔覆粉末均匀铺在待熔覆区域表面。利用脉冲光纤激光器，选取激光功率850W、脉冲频率1000HZ、离焦量5mm、扫描速度800mm/min，按照编写好的行走程序对铺有待熔覆粉末的焊缝进行激光熔覆处理，形成结合层。
图2和图3分别示出了本示例所得到的致密结合层的宏观形貌和微观组织形貌。需要说明的是，图2中的黑色片状物为制样时不慎残留在样品上的杂质。由图2可以看出，致密结合层中有少数几个100～220μm大小的宏观气孔，但这些气孔均为封闭气孔，未形成贯通孔，不影响结合层的密封性能，除此之外，结合层从宏观上看组织均匀，没有宏观裂纹出现。由图3可以看出，致密结合层微观组织也相当均匀，且没有微观气孔和裂纹出现。因此可以判断结合层具有较好的密封性能。图2中的“A D5.2×100”和图3中的“A D5.4×2.0k”分别表示放大倍数为100倍和2千倍，前面的数字和字母“A D5.2”、“A D5.4”无实际意义。
经对数十件样品进行观察和统计分析，可以得出：形成的致密结合层均不含有贯穿孔和裂纹，致密结合层表面上的封闭气孔的尺寸均小于220μm，且在每10mm2表面上含有直径大于100且小于220μm的封闭气孔的数量不超过6个。
示例2
将含有焊缝的铝合金封装器件在丙酮中超声清洗15分钟，然后置于烘箱中60±5℃烘干45min待用。经观察，已完成激光焊接的铝合金封装器件的焊缝上形成有多个贯穿的裂纹和通孔，导致其气密性不能满足要求。
将粒度尺寸在60～110μm范围内且成分基本与铝合金基体相同的铝合金粉末作为第一粉末。将其与第二粉末按8:1质量比机械混合均匀以形成待熔覆粉末，将待熔覆粉末放置于60±5℃烘箱中烘干30min待用。其中，第二粉末采用以碱土金属氟化物和Ti等活性剂构成的铝用硬钎剂。
将待熔覆粉末均匀铺在待熔覆区域表面，以形成厚度为0.4mm的均匀待熔覆粉末层。利用脉冲光纤激光器，选取激光功率800W、脉冲频率1kHZ、离焦量4mm、扫描速度600mm/min，按照编写好的行走程序对铺有待熔覆粉末的焊缝进行激光熔覆处理，形成结合层。
图4和图5分别示出了本示例所得到的致密结合层的宏观形貌和微观组织形貌。需要说明的是，图4中的黑色片状物为制样时不慎残留在样品上的杂质。由图4可以看出，致密结合层中有少数几个100～220μm大小的宏观气孔，但这些气孔均为封闭气孔，未形成贯通孔，不影响结合层的密封性能，除此之外，结合层从宏观上看组织均匀，没有宏观裂纹出现。由图5可以看出，致密结合层微观组织也相当均匀，且没有微观气孔和裂纹出现。因此可以判断结合层具有较好的密封性能。图4中的“A D5.4×100”和图5中的“A D5.3×2.0k”分别表示放大倍数为100倍和2千倍，前面的数字和字母“A D5.4”、“A D5.3”无实际意义。
经对二十余件样品进行观察和统计分析，可以得出：形成的致密结合层均不含有贯穿孔和裂纹，致密结合层表面上的封闭气孔的尺寸均小于220μm，而且在每10mm2表面上含有直径大于100且小于220μm的封闭气孔的数量不超过6个。
综上所示，本发明通过在铝合金焊缝上设置待熔覆粉末层，配合以高能激光束照射，随着激光束的移动，待熔覆粉末层经历熔化凝固过程后与焊缝基体形成冶金结合从而获得致密结合层，封堵焊缝中存在的贯通裂纹或者气孔等缺陷，有效地提高铝合金电子器件封装的密封性能，能够满足航空航天等诸多领域的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：(1)能够显著提高铝合金电子器件封装的气密性，例如，形成的致密结合层均不含有贯穿孔和裂纹，致密结合层表面上的封闭气孔的尺寸均小于220μm，且在每10mm2表面上含有直径大于100且小于220μm的封闭气孔的数量不超过6个；(2)能够有效提高铝合金电子器件封装的成品率，例如，成品率可提高4个百分点以上，甚至于成品率可达99％；(3)本发明的方法无需外加保护气体，降低了成本，且实施、操作简单、可靠性强，便于工业推广，能够产生较大的经济和社会效益，有较高的工程应用价值。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法，所述方法包括以下步骤：
将电子元件置于铝合金壳体中，对铝合金壳体的缝隙进行焊接；
对所述焊接形成的焊缝进行清洁处理；
设置覆盖焊缝外表面的待熔覆粉末层，进行激光熔覆并控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在所述焊缝上形成致密结合层，其中，所述第一温度为所述电子元件的温度耐受上限值，
其中，所述具有优良封装气密性是指：形成的致密结合层均不含有贯穿孔和裂纹，致密结合层表面上的封闭气孔的尺寸均小于220μm，且在每10mm2表面上含有直径大于100μm且小于220μm的封闭气孔的数量不超过6个。
2.根据权利要求1所述的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法，其特征在于，所述待熔覆粉末由按重量份计1～10份的第一粉末和1份的第二粉末混合而成，其中，第一粉末的成分与铝合金基体的成分相同或与铝合金基体的成分有60～90wt％以上相同；第二粉末为铝基硬钎剂。
3.根据权利要求1所述的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法，其特征在于，所述待熔覆粉末层的厚度在0.1～0.75mm的范围内选择。
4.根据权利要求1所述的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法，其特征在于，所述方法通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率、熔覆扫描速度和外加冷却夹具的冷却效率中的一项或两项以上的组合来实现控制激光熔覆的温度不高于第一温度。
5.根据权利要求4所述的制造具有优良封装气密性的铝合金电子器件的方法，其特征在于，所述方法通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率和熔覆扫描速度来实现控制激光熔覆的温度不高于100℃，且激光输入功率控制在300～1500W的范围内，脉冲频率控制在20～5000HZ的范围内，熔覆扫描速度控制在100～1000mm/min的范围内，离焦量控制在-2mm～+5mm的范围内。
6.一种提高铝合金电子器件封装气密性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对通过焊接完成封装的铝合金电子器件的焊缝进行清洁处理；
设置覆盖焊缝外表面的待熔覆粉末层，进行激光熔覆并控制熔覆温度始终不高于第一温度，以在所述焊缝上形成致密结合层，其中，所述第一温度为所述电子元件的温度耐受上限值，其中，所述形成致密结合层均不含有贯穿孔和裂纹，致密结合层表面上的封闭气孔的尺寸均小于220μm，且在每10mm2表面上含有直径大于100μm且小于220μm的封闭气孔的数量不超过6个。
7.根据权利要求6所述的提高铝合金电子器件封装气密性的方法，其特征在于，所述待熔覆粉末由按重量份计1～10份的第一粉末和1份的第二粉末混合而成，其中，第一粉末的成分与铝合金基体的成分相同或与铝合金基体的成分有60～90wt％以上相同；第二粉末为铝基硬钎剂。
8.根据权利要求6所述的提高铝合金电子器件封装气密性的方法，其特征在于，所述待熔覆粉末层的厚度在0.1～0.75mm的范围内选择。
9.根据权利要求6所述的提高铝合金电子器件封装气密性的方法，其特征在于，所述方法通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率、熔覆扫描速度和外加冷却夹具的冷却效率中的一项或两项以上的组合来实现控制激光熔覆的温度不高于第一温度。
10.根据权利要求9所述的提高铝合金电子器件封装气密性的方法，其特征在于，所述方法通过控制激光输入功率、离焦量、脉冲频率和熔覆扫描速度来实现控制激光熔覆的温度不高于100℃，且激光输入功率控制在300～1500W的范围内，脉冲频率控制在20～5000HZ的范围内，熔覆扫描速度控制在100～1000mm/min的范围内，离焦量控制在-2mm～+5mm的范围内。
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