CN112236025B

CN112236025B - 高温电路器件的加工方法

Info

Publication number: CN112236025B
Application number: CN202011425391.3A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 苏婳
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112236025A

Abstract

本发明提供一种高温电路器件的加工方法，包括：获得实心体；在实心体上沉积第一层壳体；熔去实心体；在第一层壳体表面沉积夹层；在夹层表面沉积第二层壳体；在第二层壳体外壁上分布有测试点，在每个测试点处加工有从第二层壳体向第一层壳体方向延伸但不贯穿第一层壳体的第一孔；在第一孔中填充绝缘层，在绝缘层设置多个第二孔并在每个第二孔中填充导电层；在第一层壳体内壁上加工有第一凹槽，并在其中设置布线层，布线层一端与第二孔中的导电层电连接；熔去夹层；加工成型传感器并将传感器置于第一凹槽中，设置好的传感器与对应的第一凹槽中的布线层另一端电连接。本发明可制备出加工面光洁、尺寸精确、电连接稳定性强、侧壁薄的高温电路器件。

Description

高温电路器件的加工方法

技术领域

本发明属于电子元器件的技术领域，具体涉及一种高温电路器件的加工方法。

背景技术

随着科技的发展，许多器件的结构变得越来越复杂，这给传统的加工器件方式带来了很大的困难，会导致制造器件尺寸不够精确等问题，因此探究一种能够精确控制尺寸的加工方法具有重要意义。同时对于工作在高温环境下的器件，其在工作过程中的受热受力等过程将变得更加难以测量，因此需要在器件中加入传感系统制造成智能器件实时传递数据用以检测器件的工作状态。通常这类传感器需要贴装在电子器件的表面，通过大量的导线将信号引出，但是这种方式往往会因为传感器与器件表面的不平滑连接而改变模型表面的流体特性，如压力传感器、热电偶、热膜等；或者使用非接触测量，如压敏涂层和温感涂层的应用，但涂层材料的工作温区较窄。

因此采用一种微互连的电连接方式，使得电信号可以在器件内传输，从而传感器也可以嵌入器件表面，与器件表面平滑连接，既不会影响流场，又能保证测量精度与范围，同时也减少了引线的大量使用，这将对高温电路器件的智能化发展提供很大帮助。但目前存在的问题在于实际工艺中难以向贯穿了器件的通孔中填充材料，即使填充材料也难以保证材料填充的均匀性，严密性，另外，如专利CN105127597A中的微互连结构在实际应用中由于传感器的正负引脚距离较近，尺寸较小，很难保证与微互连结构电连接的稳定性，这在实际加工过程中也带来了很大困难。另外，目前智能器件对加工面光洁度、尺寸精确度要求较高，达不到相应精确度和光洁度的器件在使用过程中会存在较大的隐患且无法满足实际需要。因此，急需解决目前智能器件中的一些高温电路加工工艺中光洁度、精确度以及电连接的稳定性不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种高温电路器件的加工方法，通过该方法可制备出尺寸精确、电连接稳定性好、侧壁薄且加工面光洁度高的高温电路器件。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高温电路器件的加工方法，包括如下步骤：

步骤1：获得实心体；

步骤2：在实心体上沉积第一层壳体，第一层壳体的熔点高于实心体的熔点；

步骤3：采用高于实心体熔点且低于第一层壳体熔点的温度熔去实心体；

步骤4：在所述第一层壳体表面沉积夹层，该夹层的熔点低于第一层壳体的熔点；

步骤5：在夹层表面沉积第二层壳体，第二层壳体的熔点高于夹层的熔点；

步骤6：在所述第二层壳体外壁上分布有多个测试点，在每个所述测试点处加工有从第二层壳体向第一层壳体方向延伸但不完全贯穿第一层壳体的第一孔；在所述第一孔中填充绝缘层，在绝缘层中沿第一孔长度方向设置多个第二孔并在每个第二孔中填充导电层；

步骤7：在所述第一层壳体内壁上与所述第一孔对应处加工有用于安设传感器的第一凹槽，所述第一凹槽尺寸与传感器大小相吻合且所述第一凹槽与所述第一孔相接；

步骤8：在所述第一凹槽中设置布线层，所述布线层的引线区一端与所述第二孔中的导电层电连接；

步骤9：采用高于夹层熔点且低于第一层壳体和第二层壳体熔点的温度熔去夹层；

步骤10：加工成型所述传感器并将所述传感器置于所述第一凹槽中，设置好的所述传感器与对应的第一凹槽中的布线层引线区的另一端电连接。

进一步地，采用气相沉积法沉积第一层壳体、夹层和第二层壳体。

进一步地，所述测试点沿所述第二层壳体外壁的环向和母线方向均匀分布。

进一步地，所述实心体为轴对称的曲面形状。

进一步地，第一层壳体和第二层壳体由熔点高于工作温度的金属、氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成，夹层由熔点低于工作温度的石英、有机物或无机物材料制成。

进一步地，所述绝缘层由熔点高于工作温度的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成，所述导电层由熔点高于工作温度的合金、金属、碳化铪、碳化钽中的一种或多种制成。

进一步地，所述传感器为测温热电偶。

进一步地，所述测温热电偶包括基片、与热电偶丝形状配合的第二凹槽、设置在所述第二凹槽中的热电偶以及设置在所述第二凹槽中且与热电偶电连接的补偿导线，所述补偿导线还与所述布线层电连接，其中，所述热电偶包括热端测温点以及分别与热端测温点电连接的热电偶正极和热电偶负极，所述补偿导线包括与热电偶正极电连接的补偿导线正极以及与热电偶负极电连接的补偿导线负极，所述补偿导线正负极分别与所述布线层引线区的另一端电连接。

进一步地，在所述热电偶表面溅射抗氧化层，所述抗氧化层和所述补偿导线均由熔点高于工作温度的合金、金属、碳化铪、碳化钽中的一种或多种制成。

进一步地，在所述基片设置有第二凹槽的表面上溅射耐火涂层，所述耐火涂层覆盖在所述测温热电偶上，所述耐火涂层由熔点高于工作温度、抗氧化且绝缘的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）本发明的加工方法可制备出尺寸精确、形状复杂、侧壁薄的构件；对于航空发动机的一些部件而言，这些部件对加工面光洁度要求很高，这关系到喷油量分配的均匀性，采用CVD的加工方法可保证加工面的光洁度以及保证尺寸的精确度，从而满足实际应用要求；

2）本发明根据实际情况需要确定了微互连结构的加工顺序，即先加工第一孔和第二孔，从而保证了绝缘层和导电层材料填充的均匀性和严密性，再增加了布线层，增大了传感器电连接的接触面积，使传感器与微互连结构之间的电连接更加精确稳定，减小了实际加工中电连接的难度；

3）本发明的第一层壳体和第二层壳体之间具有供液体流过的空腔，从而可以使冷却液从中流过，更有助于冷却液与第一层壳体充分接触，进一步提高了再生冷却系统降温的效果；而铼钨热电偶构成的测温点阵列，由测温点可测试气体的温度和流速，可用于与火箭等航天器或其他器械的互连。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式中提供的高温电路器件的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施方式中在实心体表面沉积的结构的剖面示意图；

图3为本发明一个具体实施方式中加工并填充第一孔和第二孔的结构示意图；

图4为本发明一个具体实施方式中加工第一凹槽和布线层形成微互连结构的结构示意图；

图5为本发明一个具体实施方式中测温热电偶与微互连结构电连接的结构示意图；

图6为本发明一个具体实施方式中测温热电偶结构示意图；

图7为在图6的测温热电偶表面溅射耐火涂层后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见附图，本发明还提供一种上述的高温电路器件的加工方法，包括如下步骤：

1）获得实心体1；

2）在实心体1上沉积第一层壳体21，第一层壳体21的熔点高于实心体1的熔点；

3）采用高于实心体1熔点且低于第一层壳体21熔点的温度熔去实心体1；

4）在第一层壳体21表面沉积夹层23，该夹层23的熔点低于第一层壳体21的熔点；

5）在夹层23表面沉积第二层壳体22，第二层壳体22的熔点高于夹层23的熔点；

6）在第二层壳体21的外壁上分布有测试点221，在每个测试点221处加工有从第二层壳体22向第一层壳体21方向延伸但不完全贯穿第一层壳体21的第一孔241；在第一孔241中填充绝缘层243，在绝缘层243中沿第一孔241长度方向设置多个第二孔242并在每个第二孔242中填充导电层244；

7）在第一层壳体21内壁上与第一孔241对应处加工有用于安设传感器3的第一凹槽231，第一凹槽231尺寸与传感器3大小相吻合且第一孔241与第一凹槽231相接；

8）在第一凹槽231中设置布线层245，布线层245引线区246的一端与第二孔242中的导电层244电连接；

9）采用高于夹层23熔点且低于第一层壳体21和第二层壳体22熔点的温度熔去夹层23；

10）加工成型传感器并将传感器置于第一凹槽231中，设置好的传感器与对应的第一凹槽231中的布线层245引线区246的另一端电连接。

下面以智能喷嘴为例进行说明，且在本实施例中传感器为测温热电偶，当然在别的实施例中可以根据需要选择别的传感器，一种高温电路器件的加工方法包括以下步骤：

参见图1-2，加工成型一个腰鼓形的实心体1，当然在别的实施例中，实心体1的形状也可为钟形等其他轴对称曲面形状，该实心体1由低熔点材料制成，低熔点材料可采用低熔点、热变形好的石英或低熔点合金等各种低熔点的有机物或无机物。该实心体1的加工成型方法以3D打印的方法为例进行说明，具体操作为：首先通过机械制图软件建模，构造一个实心体模型，将模型保存为STL格式的数字模型；再将STL格式的数字模型导入到切片软件中进行计算，从而指导打印机逐层打印；最后打印机通过读取文件中的切片信息，在模型中图形区域用所选材料将这些切片逐层打印出来，将各层切片以各种方式粘合起来，从而形成实心体1。当然该实心体1的加工成型的方法还包括激光加工的方法，这里就不一一进行说明了。

在实心体1的表面采用气相沉积法（CVD）沉积成型喷嘴的第一层壳体21。

以铼为例，装好CVD装置后通入氩气清洗整个系统15分钟，然后对整个系统抽真空至1000Pa以下。加热氯化室温度至900~1000K后，通入氯气并调整流量至50~70ml/min，调整氩气流量到700ml/min，氯气经由洗涤、干燥装置进入到氯化室中与被加热的铼粉反应，反应温度为900~1000K，反应生成物在此温度下挥发同时被载气运输至沉积室反应，沉积温度为1400~1500K。反应一定时间后，按照关闭氯气减压阀、关闭电阻加热炉、关闭真空系统等顺序停止。所得到的喷嘴壳体尺寸精确、表面光洁度高，且铼的耐高温、耐磨、抗腐蚀性好，有利于延长喷嘴的使用寿命。

1800℃高温熔去实心体1，清洗、干燥后得到第一层壳体21。参见图1-2，在第一层壳体21表面用CVD的方法用低熔点材料沉积夹层23，当沉积到一定厚度后停止，再用与沉积第一层壳体21相同的方法，用CVD的方法沉积第二层壳体22，到一定厚度后停止得到了喷嘴的包含夹层23的壳体结构，该过程中喷嘴顶部若被封顶可用激光打通。夹层的低熔点材料也可选用低熔点、热变形好的石英，或低熔点合金等各种低熔点的有机物或无机物。第一层壳体21和第二层壳体22的材料可选用铼（熔点3186°C）、钨（熔点3400°C）、碳化铪（熔点3890°C）等熔点高于喷嘴工作温度的耐高温、耐磨的金属、氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成。本发明采用CVD的方法加工出喷嘴的主体部分，可制备出尺寸精确、形状复杂、侧壁薄的构件。

在第二层壳体的外壁上沿母线方向和环向均匀分布有多个测试点221，在本实施例中，测试点221为测温点，这些测温点共同构成测温点阵列。参见图3，采用刻蚀如光刻、X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等或激光加工如纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光或多种激光相结合等抑或激光加工与水射流辅助相结合等方法在各测温点处均加工有第一孔241，且成型后的第一孔241为直线孔，且第一孔241沿着第二层壳体22到第一层壳体21的方向但并不贯穿第一层壳体21，向每一第一孔241中填塞绝缘材料，且绝缘材料密封与其对应的第一孔241，即先钻取第一孔241，再向第一孔241中填满绝缘材料作为绝缘层243。

在填塞满绝缘材料后的绝缘层中继续采用蚀刻或者激光加工的方法成型出第二孔242，第二孔242沿与其对应的第一孔241的长度方向设置，且贯穿第一孔241内的绝缘层243，然后在第二孔242内填塞导电材料作为导电层244，一般地，第一孔241和第二孔242均为圆柱状，在两者之间为绝缘层243，两个第二孔242沿第一孔241的中轴线对称分布。

参见图4，在第一孔241和第二孔242加工完成后，再加工第一凹槽231，加工方法与第一孔241、第二孔242的加工成型方法相同，即在第一层壳体21的内壁上与第一孔241对应处采用上述蚀刻或者激光加工的方法加工成型用于安防传感器的第一凹槽231，该第一凹槽231与第一孔241相连接。在第一凹槽231中继续设置布线层245，布线层245中的绝缘部分材料与绝缘层243的材料相同，布线层245中的引线区246的材料与导电层244的材料相同，其中布线层245中的引线区246一端与导电层244电连接，引线区246另一端与传感器电连接，这样可以增大微互连结构与传感器电连接的面积，确保了电连接的精确度。至此，微互连结构24制作完成。

当采用激光加工成型时，激光器为采用集成有纳秒、皮秒以及飞秒激光的多波长光纤激光器，可使多种激光进行结合加工，如在加工微互连结构24时，尺寸较大的第一孔241可采用纳秒激光进行加工，尺寸较小的第二孔242可采用皮秒或飞秒激光进行加工，且多波长光纤激光器由实时监控系统控制激光加工精度。实时监控系统包括用于检测测温热电偶的外形与微观结构的若干检测仪器，各检测仪器分别为红外摄像仪、扫描电镜、质谱仪以及X射线衍射仪。

由于喷嘴的工作高温在3000°C以上，因此绝缘层243的材料可采用氮化铪（熔点3310°C，具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐磨、抗氧化等性质）或其他熔点高于喷嘴工作温度的耐高温、抗氧化且绝缘的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成。导电层244的材料可采用铼、钨、碳化铪、碳化钽等熔点高于喷嘴工作温度的耐高温、抗氧化且导电导热性好的合金、金属、碳化物中的一种或多种。

参见图5，在微互连结构24制作完成后，高温将第一层壳体和第二层壳体之间的低熔点夹层23熔去，留下由微互连结构24连接固定的第一层壳体21和第二层壳体22。第一层壳体21和第二层壳体22之间的空腔用于冷却液在其中流动，且更有助于冷却液与喷嘴的第一层壳体21充分接触，进一步提高了再生冷却系统降温的效果。

若为节约成本，作为本发明的另一种优选的技术方案，可以直接在实心体1表面沉积壳体（该壳体的厚度等于第一层壳体21、夹层23和第二层壳体22的厚度总和），再在壳体外加工第一孔231，采用上述同样的方法在第一孔241中填充满绝缘材料形成绝缘层243，并在绝缘层243中加工两个第二孔242并在第二孔242中填充导电材料形成导电层244，之后采用机加工的方式直接在壳体厚度方向中部凿除一层材料从而形成第一层壳体21、第二层壳体22以及位于第一层壳体21和第二层壳体22之间的空腔25。此外，在别的实施例中，壳体结构不限于双层，可以是三层或更多层。

将每一测温热电偶3均安设于与其对应的第一凹槽231内，此时该测温热电偶3与和其对应的微互连24电连接，即测温热电偶3与和其对应的布线层245内的引线246电性接触，且在测温热电偶3安设于第一凹槽231内后，测温热电偶3的表面与喷嘴的第一层壳体21的内壁齐平，且两者之间为平滑且无缝接触，两者之间不能存有缝隙，微互连结构24也不会外漏于第一层壳体21的内壁上，故测温热电偶3和微互连结构24不会因凸起或缝隙而影响到喷嘴内流体的测量，可保证精确、实时以及快速测量喷嘴处的各项参数。

参见图6，在基片31上采用激光加工出热电偶丝形状的第二凹槽32，在第二凹槽32中溅射铼钨合金形成的热电偶并在热电偶两端溅射补偿导线34，热电偶包括热端测温点33以及与热端测温点33分别连接的铼钨热电偶正极WRe3 331和铼钨热电偶负极WRe25 332，补偿导线正极341与铼钨热电偶正极WRe3 331的尾部连接，补偿导线负极342与铼钨热电偶负极WRe25 332的尾部连接。补偿导线正极341再与对应微互连结构24的布线层245的引线区246另一端的一侧形成电连接，补偿导线负极342再与对应微互连结构24的布线层245的引线区246另一端的另一侧形成电连接。

由于铼钨合金极易被氧化，为了测温热电偶3能稳定工作，需要在铼钨合金表面即在热电偶和补偿导线34表面溅射抗氧化层35，以增加测温热电偶3的使用寿命。

测温热电偶3的基片31的材料可采用耐高温的烧结碳化物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷，补偿导线34和抗氧化层35的材料可采用碳化铪、碳化钽或其他熔点高于喷嘴工作温度的耐高温、抗氧化且导电导热性好的合金、金属、碳化物中的一种或多种。

参考图7，在基片上设置有第二凹槽的表面采用磁控溅射的方法溅射耐火涂层36，耐火涂层覆盖在测温热电偶3上，耐火涂层36的材料可选用氮化铪，或其他熔点高于喷嘴工作温度的耐高温、抗氧化且绝缘的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种。

上述加工好的高温电路器件可用于制造各种推进器的喷嘴、陀螺仪等惯性传感器、涡流发动机叶片等曲面结构，或各种安设传感器与外界进行互连的曲面结构。另外，上述传感器除测温热电偶外也可以是压力等其他类型的传感器，在实际使用根据需要选择所需的传感器。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种高温电路器件的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获得实心体；

2.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，采用气相沉积法沉积第一层壳体、夹层和第二层壳体。

3.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，所述测试点沿所述第二层壳体外壁的环向和母线方向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，所述实心体为轴对称的曲面形状。

5.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，第一层壳体和第二层壳体由熔点高于工作温度的金属、氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成，夹层由熔点低于工作温度的石英、有机物或无机物材料制成。

6.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，所述绝缘层由熔点高于工作温度的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成，所述导电层由熔点高于工作温度的合金、金属、碳化铪、碳化钽中的一种或多种制成。

7.根据权利要求1所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，所述传感器为测温热电偶。

8.根据权利要求7所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，所述测温热电偶包括基片、与热电偶丝形状配合的第二凹槽、设置在所述第二凹槽中的热电偶以及设置在所述第二凹槽中且与热电偶电连接的补偿导线，所述补偿导线还与所述布线层电连接，其中，所述热电偶包括热端测温点以及分别与热端测温点电连接的热电偶正极和热电偶负极，所述补偿导线包括与热电偶正极电连接的补偿导线正极以及与热电偶负极电连接的补偿导线负极，所述补偿导线正负极分别与所述布线层引线区的另一端电连接。

9.根据权利要求8所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，在所述热电偶表面溅射抗氧化层，所述抗氧化层和所述补偿导线均由熔点高于工作温度的合金、金属、碳化铪、碳化钽中的一种或多种制成。

10.根据权利要求8所述的高温电路器件的加工方法，其特征在于，在所述基片设置有第二凹槽的表面上溅射耐火涂层，所述耐火涂层覆盖在所述测温热电偶上，所述耐火涂层由熔点高于工作温度、抗氧化且绝缘的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物以及硅化物中的一种或多种制成。