CN111001890A - 一种减小异质材料焊接变形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小异质材料焊接变形的方法，所述异质材料为热膨胀系数不同的两种材料，包括以下步骤：获取所述异质材料的物理性能，通过有限元分析对所述异质材料进行焊接仿真，确定所述异质材料焊接应力导致的最大变形量；选择平衡材料，所述第一材料的热膨胀系数记为X ppm/℃，则所述平衡材料的热膨胀系数为X±5ppm/℃。通过有限元分析对所述异质材料和所述平衡材料进行焊接仿真，确定所述平衡材料的厚度；将所述平衡材料与所述第二材料焊接，形成依次为所述第一材料、所述第二材料和所述平衡材料的焊接结构。通过本发明的方法，可以明显减小异质材料焊接变形，防止脆性材料的开裂。

Description

一种减小异质材料焊接变形的方法
技术领域
本发明属于异质材料焊接领域，具体涉及一种减小异质材料焊接变形的方法。
背景技术
近年来，随着现代工业的不断发展，电子设备的小型化、高密度集成化和多功能化已经成为一种发展的必然趋势。特别是受限载荷平台的电子装备，对其体积、重量、性能及可靠性的要求越来越高。我国电子装备在进入新世纪之后得到快速发展，近年来随着“北斗”二代、三代导航卫星，低轨道星座卫星等先进装备的陆续研制，标志着我国的装备实现了跨跃式发展，这些装备的无线收发系统均大量应用了陶瓷金属一体化外壳组件产品。
新一代陶瓷金属一体化外壳组件对小型轻量化、高工作频率、高功率密度、高集成度和高可靠性等方面技术要求越来越高，采用传统的Kovar、Ti、W/Cu、Cu、Al等金属材料制作的封装壳体在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法胜任。
为了满足军用电子封装结构和材料的新要求，西方发达国家组织研究和开发了多种金属基复合材料（MMC），其中铝基复合材料发展和应用较快，最具代表性的是Osprey公司AlSi复合材料，使电子封装材料由传统的金属、陶瓷封装发展到综合性能优异的金属基复合材料封装。但当材质为金属的外壳与材质为陶瓷的基板进行焊接的过程中，由于金属外壳的热膨胀系数和陶瓷基板的热膨胀系数不同，容易导致陶瓷基板和金属外壳焊接过程中，出现金属外壳变形，陶瓷基板开裂等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明有必要提供一种减小异质材料焊接变形的方法，通过在焊接过程中采用一种平衡材料来平衡异质材料焊接之间的应力，从而减小异质材料焊接时由于热膨胀系数不匹配导致的材料变形以及陶瓷基板开裂的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种减小异质材料焊接变形的方法，所述异质材料包括第一材料和第二材料，所述第一材料和所述第二材料的热膨胀系数不同，包括以下步骤：
获取所述异质材料的物理性能，通过有限元分析对所述异质材料进行焊接仿真，确定所述异质材料焊接应力导致的最大变形量；
选择平衡材料，所述平衡材料的热膨胀系数根据所述第一材料来选择，所述第一材料的热膨胀系数记为X ppm/℃，则所述平衡材料的热膨胀系数为X±5ppm/℃；
通过有限元分析对所述异质材料和所述平衡材料进行焊接仿真，确定所述平衡材料的厚度；
将所述平衡材料与所述第二材料焊接，形成依次为所述第一材料、所述第二材料和所述平衡材料的焊接结构。
进一步的，所述物理性能包括热膨胀系数、厚度和尺寸。
进一步的，所述异质材料分别为陶瓷材料和金属材料。
优选的，所述陶瓷材料包括LTCC材料、HTCC材料、氧化铝材料、氮化铝材料、氧化铍材料、氧化锆材料、氮化硅材料中的一种。
优选的，所述金属材料包括铁、铜、铝、铁合金、铜合金、铝合金、钛合金中的一种。
更优选的，所述铁合金包括可伐合金；所述铜合金包括钨铜合金、钼铜合金中的一种；所述铝合金包括铝硅材料、铝碳化硅材料中的一种。
进一步的，所述焊接的温度为100-1000℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在异质材料焊接之前，通过异质材料的物理性能进行分析后，采用有限元软件进行焊接仿真，确定异质材料之间应力导致的最大变形量，然后选择热膨胀系数接近第一材料的平衡材料，采用有限元软件进行仿真，调整平衡材料的厚度与大小，使得三种材料焊接后的变形量最小，然后将第一材料焊接在第二材料的一面，将平衡材料焊接在第二材料的另一面，从而克服了异质材料中第一材料和第二材料之间由于应力存在导致的变形，也防止了陶瓷基板的开裂。
附图说明
图1为两种异质材料焊接后受到应力的变形图；
图2为图1中添加平衡材料后收到应力的变形图。
图中：1-第一材料，2-第二材料，3-平衡材料。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施方式对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
一种减小异质材料焊接变形的方法，所述异质材料包括第一材料1和第二材料2，所述第一材料1和所述第二材料2的热膨胀系数不同，包括以下步骤：
获取所述异质材料的物理性能，通过有限元分析对所述异质材料进行焊接仿真，确定所述异质材料焊接应力导致的最大变形量；
选择平衡材料3，所述平衡材料3的热膨胀系数根据所述第一材料1来选择，所述第一材料1的热膨胀系数记为X ppm/℃，则所述平衡材料3的热膨胀系数为X±5ppm/℃。
通过有限元分析对所述异质材料和所述平衡材料3进行焊接仿真，确定所述平衡材料3的厚度；
将所述平衡材料3与所述第二材料2焊接，形成依次为所述第一材料1、所述第二材料2和所述平衡材料3的焊接结构。
具体来说，这里的异质材料主要指的是热膨胀系数不同的两种材料，由于材料的热膨胀系数不同，在异质材料焊接时，由于热膨胀系数的差异，使得焊接过程中易造成热失配，因此在焊接过程中会存在相互作用的应力，从而导致材料的变形，而一些形变能力小的脆性材料则可能由于形变而导致断裂或开裂，如图1中所示的，第一材料1和第二材料2焊接后，异质材料受到应力产生变形。
在本发明的一些实施方式中，异质材料包括第一材料1和第二材料2。本发明的方法首先获取异质材料的物理性能，这里物理性能的获取为本领域技术人员都具备的常规知识，因此这里不再具体阐述，获取的物理性能主要包括材料的热膨胀系数、厚度和尺寸，然后利用有限元分析对异质材料进行焊接仿真，从而确定异质材料之间存在的最大变形量。
然后再根据第一材料1的热膨胀系数选择平衡材料3，第一材料1的热膨胀系数记为X ppm/℃，这里的X不起到具体的限定作用，仅起到举例和表示作用，具体数值根据选择的第一材料1的物理性能测试得来，则平衡材料3的热膨胀系数为X±5 ppm/℃。将第一材料1焊接在第二材料2的一面，将平衡材料3焊接第二材料2的另一面，所述第一材料1与所述第二材料2焊接、所述第二材料2与平衡材料3焊接均为一次焊接成型，从而获得使得异质材料变形最小的平衡材料厚度。
最后，形成依次为第一材料1、第二材料2和平衡材料3的焊接结构。如图2中所示的，通过添加平衡材料3与第二材料2焊接后，应力减小甚至消除，经过本发明的方法，明显减小了异质材料的应力，防止变形。
在本发明的一些实施方式中，所述异质材料为陶瓷材料和金属材料，具体来说，在一些实施方式中，第一材料1为陶瓷材料，第二材料2为金属材料。发明人对焊接过程分为两个部分进行分析。前半部分（升温）：Z 向，焊料、陶瓷材料及金属外壳各为一体，互不相关；X/Y 向，陶瓷材料与金属外壳之间有足够的间隙，不会受热变形相互挤压导致裂纹产生。一般陶瓷材料成型温度为600℃以上，本次焊接温度仅330 ℃，自由状态下的陶瓷材料不会出现热损伤。因此，焊接的升温过程不会出现裂纹。后半部分（降温）：当温度下降到280 ℃以下后，焊料由熔融态逐渐凝固，将陶瓷材料及金属外壳焊为一体。由于陶瓷材料与金属外壳热胀系数不同，产生不同的热形变，生成相互拉压的力，即所谓的热应力。而陶瓷材料为脆性材料，受拉应力时容易开裂。外在表现为金属外壳产生较大的形变，陶瓷材料由于变形过大，从而导致开裂。因此，发明人创新性的在金属外壳的一侧添加一种平衡材料时，陶瓷材料和金属外壳产生热变形，同时平衡材料也会产生热变形，两种变形相互抵消，从而减小变形。
具体的，所述陶瓷材料可以为LTCC材料、HTCC材料、氧化铝材料、氮化铝材料、氧化铍材料、氧化锆材料、氮化硅材料中的一种，所述金属材料可以为铁、铜、铝、铁合金、铜合金、铝合金、钛合金中的一种。优选的，所述铁合金包括可伐合金；所述铜合金包括钨铜合金、钼铜合金中的一种；所述铝合金包括铝硅材料、铝碳化硅材料中的一种。可以理解的是，这里的陶瓷材料和金属材料仅用于举例，陶瓷材料和金属材料的选择包括但不限于前述几种，本发明中的方法适用于任何热膨胀系数不同的异质材料的焊接方法。
优选的，在本发明的一些实施方式中，所述焊接的温度为100-1000℃。
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行更加清楚完整的说明。
实施例1
本实施例中，第一材料1为LTCC基板陶瓷材料，其热膨胀系数为5.8 ppm/℃，基板厚度为1.1mm，尺寸为35×45mm；
第二材料为AlSi50%金属外壳，其热膨胀系数为11.8ppm/℃，厚度为1.5mm，尺寸为70×60mm。
通过有限元分析对第一材料1和第二材料2进行金锡共晶仿真焊接，其中，焊料为Au80Sn20、共晶点为280℃，得到焊接后第二材料2的变形量为0.25mm，实际变形0.26mm。
选择MoCu合金材料作为平衡材料3，其热膨胀系数为10.8 ppm/℃，其热膨胀系数在5.8+5ppm/℃以内。
通过有限元分析进行金锡共晶仿真焊接，焊料为Au80Sn20，将平衡材料3焊接在第二材料2的一面上，且平衡材料3与第一材料1相背，得到使得焊接异质材料形变最小的平衡材料3的厚度为0.4mm。
取0.4mm厚度、尺寸为35×45mm的平衡材料3，将其与异质材料金锡共晶焊接，完成后实际变形量为0.02mm。
实施例2
本实施例中，第一材料1为HTCC材料陶瓷基板，热膨胀系数为12.3 ppm/℃，基板厚度为1.0mm，尺寸为25×35mm；
第二材料2为可伐金属外壳为所述的异质材料中的中间材料，热膨胀系数为5.8ppm/℃，厚度为0.8mm，尺寸为50×50mm。
通过有限元分析对第一材料1和第二材料2进行金锡共晶仿真焊接，其中，焊料为Au80Sn20、共晶点为280℃，得到焊接后第二材料2的变形量为0.08mm，实际变形0.08mm。
选择WCu合金材料为平衡材料3，热膨胀系数为7.3ppm/℃，其热膨胀系数在12.3-5ppm/℃以内。
通过有限元分析进行金锡共晶仿真焊接，焊料为Au80Sn20，将平衡材料3焊接在第二材料2的一面上，且平衡材料3与第一材料1相背。得到使得焊接异质材料形变最小的平衡材料3的厚度为0.2mm。
取0.4mm厚度、尺寸为35×45mm的平衡材料3，将其与异质材料金锡共晶焊接，完成后实际变形量为0.01mm。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种减小异质材料焊接变形的方法，所述异质材料包括第一材料和第二材料，所述第一材料和所述第二材料的热膨胀系数不同，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述异质材料的物理性能，通过有限元分析对所述异质材料进行焊接仿真，确定所述异质材料焊接应力导致的最大变形量；
选择平衡材料，所述平衡材料的热膨胀系数根据所述第一材料来选择，所述第一材料的热膨胀系数记为X ppm/℃，则所述平衡材料的热膨胀系数为X±5ppm/℃；
通过有限元分析对所述异质材料和所述平衡材料进行焊接仿真，确定所述平衡材料的厚度；
将所述平衡材料与所述第二材料焊接，形成依次为所述第一材料、所述第二材料和所述平衡材料的焊接结构。
2.如权利要求1所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述物理性能包括热膨胀系数、厚度和尺寸。
3.如权利要求1所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述异质材料分别为陶瓷材料和金属材料。
4.如权利要求3所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包括LTCC材料、HTCC材料、氧化铝材料、氮化铝材料、氧化铍材料、氧化锆材料、氮化硅材料中的一种。
5.如权利要求3所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述金属材料包括铁、铜、铝、铁合金、铜合金、铝合金、钛合金中的一种。
6.如权利要求5所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述铁合金包括可伐合金；所述铜合金包括钨铜合金、钼铜合金中的一种；所述铝合金包括铝硅材料、铝碳化硅材料中的一种。
7.如权利要求1所述的减小异质材料焊接变形的方法，其特征在于，所述焊接的温度为100-1000℃。
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