專利名稱：一種采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬與非金屬的相互焊接的方法。
背景技術(shù)：
隨著國家高端技術(shù)的需求，尤其是航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能有著各種各樣的高水平要求。有的要求是既要導(dǎo)熱率高、耐腐蝕、耐磨損，但又要絕緣，能切削加工。而陶瓷、鋁只能滿足其中部分要求。目前只有使用金屬材料與非金屬材料的緊密復(fù)合才能達(dá)到要求。而緊密復(fù)合只能是焊接比較理想，因?yàn)楹附邮菍刹糠滞|(zhì)或非同質(zhì)的材料，利用原子間的聯(lián)系及質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用，通過加熱、加壓或加熱的方法形成永久性的連接，這樣才能確保其多種功能的要求。但由于陶瓷與金屬在電子結(jié)隊(duì)晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)性能等方面存在著明顯的差別，因此要實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬結(jié)合是困難的；用常規(guī)的焊接材料和工藝幾乎無法獲得可靠的連接，因?yàn)樘沾膳c金屬界面的結(jié)合機(jī)制都屬于化學(xué)結(jié)合。此外由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，降低了焊接接處的強(qiáng)度，輕則變形，重則裂開，所以金屬與非金屬的焊接是個(gè)難以解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)陶瓷與鋁(鋁合金)的特性，以及普通焊接的局限性，提供了一種采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法，鋁包括鋁合金，該方法包括以下步驟
(1)鋁板鍍錫應(yīng)用有機(jī)溶劑粗除鋁板上的油脂，然后置于混合液中堿洗，進(jìn)行化學(xué)除油，混合液由氫氧化鈉、碳酸鈉和水按照質(zhì)量比2:1:7混合得到；最后放入電鍍槽中進(jìn)行鍍錫10分鐘，得鍍錫層。(2)陶瓷燒銀包括絲網(wǎng)印刷與陶瓷燒結(jié)兩個(gè)子步驟。(2. 1)絲網(wǎng)印刷先制造與鍍錫層形狀一致的模版，在絲網(wǎng)上涂感光膠，然后把模版放在感光膠上，通過曝光機(jī)進(jìn)行曝光，絲網(wǎng)上模板遮住部分以外曝光，感光膠凝固，而模版遮住部分不透光，模板遮住部分的感光膠由于不透光而沒有凝固；用水沖洗，洗去未曝光部分，再采用銀漿作為油墨，把絲網(wǎng)放置在陶瓷基板上進(jìn)行印刷，把銀漿印在陶瓷基板上， 由于絲網(wǎng)上模板遮住部分是透空的，所以銀漿就印在陶瓷基板上相應(yīng)位置，而其余部分因?yàn)橛心z封住，銀漿就沒有印上。(2. 2)陶瓷燒結(jié)將印刷好的陶瓷基板在陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié)，使銀漿與陶瓷基板間形成良好的熔合，在燒結(jié)后形成銀的燒結(jié)層面即銀箔。燒結(jié)后的銀箔高出陶瓷基板15微米-20微米。(3)疊加式回流焊把錫膏均勻涂在陶瓷基板的銀箔與鋁板的鍍錫層上，把陶瓷基板的銀箔相對(duì)鋁板的鍍錫層疊加后，一起放入回流焊爐中，回流焊爐內(nèi)溫度為260度，回流
3焊10分鐘后，陶瓷基板與鋁板就緊密焊接在一起了。
進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，電鍍槽中，每升電鍍液中含有10-40克硫酸亞錫、73. 6克硫 ^H2SO4,2. 5克萘酚和5克明膠，電鍍液溫度為30°C，直流電壓為18V，電流密度為2A/dm2。 所述步驟(2)中，所述銀漿按質(zhì)量百分比計(jì)，包括65%銀粉、洲粘結(jié)劑、3%的金屬鈀粉末和 30%的玻璃粉末。所述粘結(jié)劑為二甲苯。本發(fā)明的有益效果是通過這種方式能使絕緣性能好但加工能力差的陶瓷基板與散熱性能好，加工能力強(qiáng)但絕緣能力差的鋁緊固結(jié)合在一起。利用陶瓷基板獨(dú)特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能作為電子元件的工作載體，克服了普通PCB板、鋁基板無法與鋁焊接的缺點(diǎn)，在電子、電力、軍事等許多行業(yè)尤其是散熱領(lǐng)域發(fā)揮較大作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，工藝簡單，加工方便，并且避免了陶瓷開裂等現(xiàn)象。
圖1是工藝流程示意圖； 圖2是疊加焊接示意圖2所示，圖中包括鋁板1、鍍錫層2、錫膏3、銀箔4、陶瓷基板5。
具體實(shí)施例方式目前陶瓷與金屬的焊接一般是釬焊與擴(kuò)散焊兩種。釬焊必須在陶瓷表面進(jìn)行金屬化，再用釬料進(jìn)行釬焊。而進(jìn)行陶瓷預(yù)金屬化的方法工藝復(fù)雜，其應(yīng)用受到了許多限制。而擴(kuò)散焊要求在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互靠近、相互接觸，通過使局部發(fā)生瞬態(tài)液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層使兩種材料結(jié)合在一起。這種方法需要較高的壓力與溫度，普通工藝無法制作。我們采用普通的陶瓷厚膜燒結(jié)方式，不需要高壓也不需要陶瓷預(yù)金屬化，工藝簡單可行。厚膜是指在基片上用印刷燒結(jié)技術(shù)所形成的厚度為幾微米到數(shù)十微米的膜層。制造這種膜層的材料，稱為厚膜材料。本發(fā)明采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法(鋁包含鋁合金)，包括以下步驟
1、鋁板鍍錫應(yīng)用煤油、汽油等有機(jī)溶劑粗除鋁板或鋁合金板上的油脂，再置于混合液中進(jìn)行堿洗，進(jìn)行化學(xué)除油，混合液由氫氧化鈉(NaOH)、碳酸鈉(Na2CO3)和水按照質(zhì)量比 2:1:7混合得到；其目的是除去油脂后能保證鋁板(或鋁合金板)電鍍的質(zhì)量，最后放入電鍍槽中進(jìn)行鍍錫10分鐘，電鍍時(shí)，不需要電鍍的地方可用膠帶黏住，電鍍槽中，每升電鍍液中含有10-40克硫酸亞錫SnS04、73. 6克濃硫酸H2S04、2. 5克萘酚和5克明膠，電鍍液溫度為 30°C，直流電壓為18V，電流密度為2A/dm2。2、陶瓷燒銀包括絲網(wǎng)印刷與陶瓷燒結(jié)兩個(gè)步驟。2. 1、絲網(wǎng)印刷考慮到散熱及膨脹因素，本發(fā)明采用厚度為0. 5mm的氧化鋁陶瓷基板。其過程如下先制造模版，在絲網(wǎng)上涂感光膠，然后把模版放在感光膠上，通過曝光機(jī)進(jìn)行曝光，絲網(wǎng)上模板部分以外曝光，感光膠凝固，而模版部分不透光，模板部分遮住的感光膠由于不透光而沒有凝固。用水沖洗，洗去未曝光部分，再采用銀漿作為油墨，把絲網(wǎng)放置在陶瓷基板上進(jìn)行印刷，把銀漿料印在陶瓷基板上，由于絲網(wǎng)上模板遮住部分是透空的，所以銀漿就印在陶瓷基板上相應(yīng)位置，而其余部分因?yàn)橛心z封住，銀漿就沒有印上。
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2. 2、陶瓷燒結(jié)將印刷好的陶瓷基板在陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié)，使銀漿與陶瓷基板間形成良好的熔合，在燒結(jié)后形成銀的燒結(jié)層面即銀箔。銀漿印刷時(shí)其形狀應(yīng)與鋁板鍍錫層2 形狀一致，燒結(jié)后的銀箔應(yīng)高出陶瓷基板15微米-20微米。實(shí)施時(shí)采用的銀漿，其主要成分為銀與玻璃的混合物，銀漿的主要成分為銀，按質(zhì)量百分比計(jì)，占65%，摻入21粘結(jié)劑后能使其漿料具有合適的粘度，粘結(jié)劑為二甲苯等，為防止銀氧化加入3%的金屬鈀粉末，其余30%為玻璃粉末。為了防止鋁板1與陶瓷基板5由于膨脹系數(shù)不同而造成開裂，在陶瓷基板制作的銀箔4形狀應(yīng)與鋁板1的鍍錫層2形狀一致，銀箔4高出陶瓷面15微米-20微米，使焊接后的鋁與陶瓷在各自膨脹中相互影響最小。在燒結(jié)過程中，陶瓷燒結(jié)爐的最高溫度800度， 升溫速度應(yīng)當(dāng)緩慢，使有機(jī)粘合劑完全分解和揮發(fā)，固體粉料熔融，分解和化合，形成致密堅(jiān)固的厚膜。為防止厚膜開裂，還應(yīng)控制降溫速度。所述鋁與陶瓷由于膨脹系數(shù)不同而造成的陶瓷開裂現(xiàn)象，是由于各種金屬的及非金屬線性膨脹系數(shù)不同，幾個(gè)常見物質(zhì)線脹系數(shù)如下；膨脹系數(shù)(10-6/° C)鋁23.2，鍍錫22，焊錫23.0，銀19. 5，氧化鋁陶瓷7. 85。 我們采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法其結(jié)構(gòu)排列大部分與這幾種物質(zhì)的膨脹系數(shù)是一致的，所以膨脹引起作用也較少。至于銀與陶瓷基板，盡管膨脹系數(shù)相差較大，但銀箔是顆粒狀燒結(jié)在陶瓷板內(nèi)，所以引起膨脹原因也很小。本發(fā)明在陶瓷燒結(jié)的銀接觸面應(yīng)與其焊接的鋁板形狀相似，并應(yīng)適當(dāng)高出陶瓷基板15微米-20微米左右。并且以上疊加從上到下膨脹系數(shù)依次增加，而且其材料的體脹系數(shù)是與其長度及形狀有關(guān)，而燒制時(shí)銀箔與鋁的鍍錫層形狀類似，使膨脹引起的原因減少到最低，有效地避免鋁與陶瓷由于膨脹系數(shù)不同而造成的陶瓷開裂現(xiàn)象。3、疊加式回流焊如圖2所示，回流焊時(shí)采用錫膏，按質(zhì)量百分比計(jì)，其成分為95% 的錫與5%的銀，把錫膏3均勻涂在陶瓷基板的銀箔4與鋁板的鍍錫層2上后，把陶瓷基板5 的銀箔4相對(duì)鋁板1的鍍錫層2疊加，放入回流焊爐中，控制爐內(nèi)溫度在260度左右，回流焊10分鐘后，陶瓷基板5與鋁板1就緊密焊接在一起了。本發(fā)明不僅使鋁與陶瓷緊密固定，還避免鋁與陶瓷由于膨脹系數(shù)不同而造成的陶瓷開裂現(xiàn)象，很有實(shí)用意義。
權(quán)利要求
1.一種采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法，鋁包括鋁合金，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)鋁板鍍錫應(yīng)用有機(jī)溶劑粗除鋁板上的油脂，然后置于混合液中堿洗，進(jìn)行化學(xué)除油，混合液由氫氧化鈉、碳酸鈉和水按照質(zhì)量比2:1:7混合得到；最后放入電鍍槽中進(jìn)行鍍錫10分鐘，得鍍錫層；(2)陶瓷燒銀包括絲網(wǎng)印刷與陶瓷燒結(jié)兩個(gè)子步驟；(2. 1)絲網(wǎng)印刷先制造與鍍錫層形狀一致的模版，在絲網(wǎng)上涂感光膠，然后把模版放在感光膠上，通過曝光機(jī)進(jìn)行曝光，絲網(wǎng)上模板遮住部分以外曝光，感光膠凝固，而模版遮住部分不透光，模板遮住部分的感光膠由于不透光而沒有凝固；用水沖洗，洗去未曝光部分，再采用銀漿作為油墨，把絲網(wǎng)放置在陶瓷基板上進(jìn)行印刷，把銀漿印在陶瓷基板上，由于絲網(wǎng)上模板遮住部分是透空的，所以銀漿就印在陶瓷基板上相應(yīng)位置，而其余部分因?yàn)橛心z封住，銀漿就沒有印上；(2. 2)陶瓷燒結(jié)將印刷好的陶瓷基板在陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié)，使銀漿與陶瓷基板間形成良好的熔合，在燒結(jié)后形成銀的燒結(jié)層面即銀箔；燒結(jié)后的銀箔高出陶瓷基板15微米-20 微米；(3)疊加式回流焊把錫膏均勻涂在陶瓷基板的銀箔與鋁板的鍍錫層上，把陶瓷基板的銀箔相對(duì)鋁板的鍍錫層疊加后，一起放入回流焊爐中，回流焊爐內(nèi)溫度為260度，回流焊10 分鐘后，陶瓷基板與鋁板就緊密焊接在一起了。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步驟(1)中，電鍍槽中，每升電鍍液中含有10-40克硫酸亞錫、73. 6克硫酸H2S04、2. 5克萘酚和5克明膠，電鍍液溫度為30°C， 直流電壓為18V，電流密度為2A/dm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述銀漿按質(zhì)量百分比計(jì)，包括65%銀粉、洲粘結(jié)劑、3%的金屬鈀粉末和30%的玻璃粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為二甲苯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用疊加法的陶瓷與鋁相互焊接的焊接方法，先進(jìn)行鋁板的鍍錫、鍍錫前先用煤油、汽油等有機(jī)溶劑粗除油脂，再采用氫氧化鈉與碳酸鈉的混合液進(jìn)行堿洗，然后在硫酸亞錫與硫酸等混合物中電鍍，使鋁的表面形成錫層；陶瓷基板采用氧化鋁陶瓷基板，先制造模版，在絲網(wǎng)上涂感光膠后放上模板，進(jìn)行曝光后用水沖洗未曝光部分，再在陶瓷基板上用銀漿進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，把銀漿印在陶瓷基板上,再送入陶瓷燒結(jié)爐高溫?zé)Y(jié)，通過陶瓷燒結(jié)使銀箔形成電路并與陶瓷緊密結(jié)合；最后把有銀箔的陶瓷與鍍錫的鋁，按照陶瓷、鋁的疊加次序進(jìn)行回流焊接；該發(fā)明使金屬與非金屬緊密固定，把鋁與陶瓷的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，很有實(shí)用意義。
文檔編號(hào)C04B37/02GK102303174SQ201110242568
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者何永祥, 甄海威 申請(qǐng)人:何永祥, 甄海威