[发明专利]高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊方法。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有高比强度、比刚度、尺寸稳定性、可设计性以及耐磨、耐腐蚀、耐射线等优异性能，特别是原材料来源充分、制造成本低、市场容易接受，是金属基复合材料中应用潜力最广的新型结构材料，可广泛应用于航空航天、汽车制造、仪器仪表、电子信息、精密机械等产业领域。而高体积分数(50％～70％)碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有接近于玻璃的低膨胀系数和接近于金刚石的高硬度，在电子封装和航空航天关键零部件中有其独特的用处。例如，对当今我国国防急需发展的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、宇宙飞船、空间站、嫦娥登月等航天器以及卫星、弹道导弹等军事装备来说，其雷达核心部件---T/R信号发射与接收芯片大功率模块的需求量急剧增加，而模块封装壳体长期使用的是可伐合金(Fe-Ni-Co)以及W/Cu、Mo/Cu等传统的封装材料，比重大、制造工艺复杂、成本高，远不能适应航空航天飞行器结构高轻量化的设计要求，迫切需要一种集低膨胀、高导热、轻质三大特性于一身的新型电子封装结构材料。而高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料就是这种理想的替代材料，因为它不但比重是可伐合金的1/3，膨胀系数与封装芯片的陶瓷基体相接近，而且导热性比可伐合金高10倍。

因此，在航空航天与电子行业，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的封装材料已是大势所趋。因为对当今搭载电子元器件数量急剧膨胀的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、航天器、卫星、弹道导弹等军事装备来说，降低自重就意味着提高了作战的灵活性和生存性，并降低了燃料装载量，增加了有效载荷，可为国家节省大量开支。粗略估算，一架预警机需要4万个这种电子封装模块，一架歼击机需要1500个，一个通讯卫星需要1500～3000个，一个舰载雷达需要15000个，未来的空间站和空间实验室需要的量则更大，如果把我国上述所有武器装备的T/R模块全部换成高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其需要量极其庞大，所带来的军事意义和经济效益难以估量。可以说，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的电子封装结构材料，是我国航空航天通信装备领域产品升级换代的一项重大改革，意义十分重大。

然而，这种新型的电子封装材料却遇到了一个瓶颈技术难题---电子模块的外壳封装焊接问题。一方面是需要将壳盖板与壳体焊在一起，同时在焊接时又不能把已经事先置于壳体底部的芯片造成过热损伤(芯片允许的工作极限温度只有170℃)，还要保证焊接接头通过严格的气密性和抗冲击振动、抗潮性、抗腐蚀等试验，质量要求极其苛刻，成为目前国内外焊接界公认的技术难题之一。

国外研究现状：至今未查阅到有关高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接技术的任何报道。国内研究现状：哈尔滨工业大学牛济泰于1989年在国家自然科学基金的资助下，率先在国内开展了铝基复合材料焊接性的研究，上世纪90年代末以来，也有不少院校的教师和研究生对低体积分数增强铝基复合材料的焊接性进行了有益尝试，研究结果都表明：由于增强相与铝合金基体物理化学性能的巨大差异，用熔化焊方法获得高质量的焊接接头是极其困难的，极易产生气孔、夹渣、疏松、未焊透等缺陷，同时在焊接高温情况下，碳化硅将与铝液发生界面反应，生成C₃Al₄针状有害化合物，只有采取铝硅焊丝或基体铝合金焊丝稀释熔池才有可能实现连接，但其结果是焊缝中的成分主要是铝合金而不是铝基复合材料，因而接头强度系数很低。之后数年，牛济泰发明了一种焊缝原位自生增强的熔化焊接方法(中国发明专利号ZL200510010266.5)，可以明显提高接头强度，但这一方法也只适用于低体积分数(＜20％)的颗粒增强铝基复合材料，对高体积分数(50％～70％)仍无能为力。近几年，牛济泰等人针对高体积分数又发明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扩散焊、真空钎焊、炉中钎焊、电阻焊工艺等并获得了多项国家专利，哈工大的闫久春等人发明了有关铝基复合材料的振动焊、超声波毛细焊接等工艺，从而对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接开辟了新的研究思路，但对于电子封装这种技术条件要求十分苛刻的高端产品，焊接质量尚不够理想，主要是在钎缝密封性以及抗空间环境因素(交变温度、振动、空间粒子辐照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能适应大批量、高合格率稳定生产的技术要求。其根本原因是复合材料表面裸露着大量的SiC陶瓷增强相，它含有离子键与共价键，很难被含金属键的钎料所润湿，给钎焊过程带来了极大的难度，因此进一步探讨更为有效的钎焊工艺势在必行。