高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光钎接工艺研究

摘要

T/R模块作为信号发送与接收模块广泛应用于各种相控阵雷达,其传统封装材料存在比重大、导热性差等缺点,而高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料具有低膨胀、高导热、轻质三大特性,是T/R模块封装壳体理想的替代材料,但由于模块结构的特殊性(内置芯片不能过热),采用常规的焊接方法(如熔化焊)无法形成真正意义的焊接接头,业内通常采用炉中钎焊的方法,但易对已经置于壳体底部的芯片造成过热损伤,焊接性差的技术难题阻碍了其顺利推广应用。针对上述难题,本文提出了激光诱导钎焊的新方法,利用激光束这种可控高精密热源加载于上板表面,通过热传导机制使热量通过上板传导至两板之间的钎料,诱发钎料熔化进而形成优良的钎焊接头,且保证了局部加热区窄,避免其他部分过分高热的现象。
　　通过建立激光诱导钎焊热源模型并推导了激光诱导钎焊移动点热源加热薄板的准稳定状态方程,对激光诱导钎焊的温度场进行了数值模拟并加以实验验证。得到了理想的温度场及工艺参数(功率334W,焊接速度132mm/min,离焦量+5mm,激光斑点直径0.2mm),有限元数值模拟得到测量点的热循环曲线和实测值吻合良好。
　　根据钎料和母材匹配的原则,本文选择了4种钎料,并分别进行了润湿铺展性试验,结果表明:片状的微颗粒 Sn(润湿角为≦3度)、纳米Al粉(润湿角为25度)的润湿铺展性明显优于 AlZn25Si1(润湿角为48度)、ZnAl7钎料(润湿角为40度),其中钎料 Sn的润湿铺展性最优。
　　对该复合材料的接头进行激光诱导钎焊试验发现:AlZn25Si1钎缝结合不良,润湿性差,钎料不能润湿裸露的 SiC颗粒,与母材之间的结合力弱;ZnAl7钎缝致密,母材与钎缝的界面结合好,呈现冶金结合状态;片状微颗粒 Sn与母材相互扩散,钎料可较好润湿裸露的 SiC颗粒;原子扩散力强的纳米 Al粉钎料对裸露的 SiC颗粒润湿性好,母材与钎缝之间结合良好,未见缺陷。
　　通过对施焊后的接头进行力学测试发现:AlZn25Si1接头平均抗拉剪强度2.996N/mm2;ZnAl7接头平均抗拉剪强度为17.086N/mm2;片状微颗粒 Sn接头平均抗拉剪强度为8.406N/mm2;纳米 Al粉接头平均抗拉剪强度为22.742N/mm2。
　　通过对施焊后接头的断口分析发现:抗拉剪强度低的 AlZn25Si1断口发生在钎缝与母材的结合界面,表现为整体剥离,其他三种接头断口的断裂均发生在钎缝位置,从而阐述了激光诱导钎焊的物理本质及机制。

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第1章 引言

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题基于的学术思想

1.4 本文研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

2.4 接头力学性能测试

2.5 接头显微组织观察

第3章 钎料的润湿铺展性分析

3.1 液滴在固体表面的润湿、铺展原理

3.2 影响钎料润湿性的因素

3.3 钎料的选择原则及试验材料的准备

3.4 钎料的润湿铺展性试验

3.5 本章小结

第4章 激光诱导热源模型的建立及温度场分析

4.1 激光诱导热源模型的建立

4.2 激光诱导钎焊温度场的数值模拟和计算

4.3 温度场测量试验分析

4.4 激光参数的确定

4.5 激光诱导钎焊物理过程描述

4.6 本章小结

第5章 激光诱导钎焊试验及接头界面连接行为分析

5.1 激光诱导钎焊试验

5.2 金相试样的制备

5.3 接头界面连接行为分析

5.4 激光诱导钎焊过程中工艺参数对接头的影响

5.5 本章小结

第6章 力学性能测试及断口分析

6.1 力学性能测试

6.2 断口分析

6.3 本章小结

第7章 结论与创新点

7.1 结论

7.2 创新点

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表的学术论文和研究成果