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CN109698167B - 缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法 - Google Patents

缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法 Download PDF

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CN109698167B CN201811574860.0A CN201811574860A CN109698167B CN 109698167 B CN109698167 B CN 109698167B CN 201811574860 A CN201811574860 A CN 201811574860A CN 109698167 B CN109698167 B CN 109698167B
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Abstract

本发明提供了一种缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，属于陶瓷封装技术领域，包括底盘、设于底盘上的陶瓷体和设于底盘上的墙体，陶瓷体置于底盘的一端，墙体的一端设有用于设置陶瓷体的开口，墙体与陶瓷体和底盘相接的一端设有沿接缝延伸的去应力凹槽，去应力凹槽设置在墙体的内墙面上，去应力凹槽靠近陶瓷体和底盘的内壁与陶瓷体和底盘接触面重合，去应力凹槽的槽底低于墙体的内墙面。本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，在墙体与陶瓷件和底盘焊接的敏感位置增加去应力去应力凹槽，通过堆积焊料吸收部分残余应力，使陶瓷受力点远离结构薄弱点，进而缓解陶瓷与金属零件封装过程中由于热膨胀系数不匹配造成的失效。

Description

缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法
技术领域
本发明属于陶瓷封装技术领域，更具体地说，是涉及一种缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法。
背景技术
随着5G时代的到来，陶瓷金属管壳以更高性能、更高集成、更难结构、更难加工的姿态挑战着光通信领域。由于陶瓷与金属热膨胀系数的不匹配，焊接过程中形成残余应力降低连接强度，因此陶瓷与金属连接产生残余应力的计算、测量、缓解是工程陶瓷在应用中必须解决的关键问题之一。而残余应力的缓解更成为了重中之重。目前对残余应力的缓解方式主要采用加应力缓解层，设计合理的连接结构，采用合理连接工艺等方法，但受壳体使用影响，在无法进行结构变更及工艺变更时，需要寻求其他手段去释放或缓解已有的残余应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，以解决现有技术中存在的残余应力对壳体强度影响的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，
所述方法包括：
在墙体上与陶瓷体和底盘相接的一端沿焊接缝设置去应力去应力凹槽，根据陶瓷体屈服强度和底盘形变要求，利用有限元计算所述去应力凹槽的尺寸；
计算焊料量；
墙体、陶瓷体和底盘装配组合焊接；
残余应力对比测试。
进一步地，所述去应力凹槽的槽底至所述墙体的外墙面之间的距离大于或等于0.1mm。
进一步地，所述去应力凹槽的宽度小于或等于0.2mm。
进一步地，所述底盘为钨铜材质。
进一步地，所述墙体的材质为可伐合金。
进一步地，所述墙体的外墙面与所述底盘的四周外侧面平齐。
进一步地，所述陶瓷体具有三个连续外侧面露于所述墙体的外面，其中位于三个中间的一个外侧面凸出于所述底盘，相互平行的两个外侧面与所述底盘的外侧面平齐。
进一步地，所述陶瓷体凸出于所述底盘的外侧面设有与该外侧面垂直且向外延伸的平台。
进一步地，所述陶瓷体与所述墙体接触面的宽度大于所述墙体的厚度。
本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，在不改变壳体外形结构的情况下，在墙体与陶瓷件和底盘焊接的敏感位置增加去应力去应力凹槽，在焊接过程中，焊料在去应力凹槽内侧流散形成包角，通过堆积焊料吸收部分残余应力，同时也减小焊接面积，使陶瓷受力点远离结构薄弱点，进而缓解陶瓷与金属零件封装过程中由于热膨胀系数不匹配造成的失效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的剖面结构示意图；
图2为图1提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的立体结构示意图一；
图3为图1提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的立体结构示意图二；
图4为图1所示的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的立体结构示意图三；
图5为图1中所示的墙体的立体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的墙体的整体立体结构示意图；
图7为无去应力凹槽时焊料流散状态图；
图8为有去应力凹槽时焊料流散状态图。
其中，图中各附图标记：
1-墙体；2-去应力凹槽；3-底盘；4-陶瓷体；5-平台；6-焊料包角；7-失效反应长度；8-焊接长度。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法进行说明。所述缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，包括以下步骤：
步骤一，在墙体上与陶瓷体和底盘相接的一端沿焊接缝设置去应力去应力凹槽，根据陶瓷体屈服强度和底盘形变要求，利用有限元计算所述去应力凹槽的尺寸，去应力凹槽的尺寸满足陶瓷屈服强度和钨铜底盘形变要求，其中，通过ANSYS软件模拟计算管壳的钎焊降温过程，降温条件为25℃-810℃-25℃，该过程满足以下两个条件时，判断凹槽尺寸为适合：
陶瓷的最大拉应力≤400Mpa
底盘的垂向变形≤0.05mm。
步骤二，计算焊料量，要求焊接面焊料厚度满足要求，焊料流散状态及焊料包角饱满；初步焊料量为陶瓷与墙体焊接面积的80％，同时还要考虑以下两个外观条件：
(1)焊料流散包角为圆润的斜45°包角；
(2)焊料流散平滑无堆积；
因此在初步计算焊料用料后，需通过实验调整最终焊料量。
步骤三，墙体、陶瓷体和底盘装配组合焊接；将陶瓷、焊料、墙体等全部零件放入石墨磨具中，进行定位装配，采用25℃-810℃-25℃温度焊接；将装配好的管壳进入高温钎焊炉中，1小时候冷却成型。
步骤四，残余应力对比测试；采用钻孔法对比测试陶瓷薄弱位置残余应力；采用极限压力破坏对比两种结构失效压力值(有去应力凹槽和无去应力凹槽两种结构)。通过对比发现，无去应力凹槽时，焊料流散状态在墙体外侧，焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度较短，起始受力点靠近陶瓷边缘，易形成裂纹；有去应力凹槽时，焊料在凹槽内侧流散形成包角，吸收了分布应力，且焊接面焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度增长，起始受力点远离陶瓷边缘，缓解残余应力。
利用钻孔法对含去应力凹槽和不含去应力凹槽的两种结构进行对比测试，对比陶瓷经过高温钎焊后的残余应力数值。测试陶瓷的薄弱位置陶瓷侧壁，测试结果如下：不含去应力凹槽结构的陶瓷测得残余应力80％在100-150Mpa，含去应力凹槽结构的陶瓷测得残余应力50％在100-150Mpa，可见添加去应力凹槽后可降低陶瓷的高应力区域，降低失效的风险。
本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，与现有技术相比，在不改变壳体外部结构的情况下，墙体1上与陶瓷体4和底盘3焊接的位置加工去应力去应力凹槽2。由于无去应力去应力凹槽2时，焊料流散状态在墙体1外侧，焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度较短，起始受力点靠近陶瓷边缘，易形成裂纹；而有去应力去应力凹槽2时，焊料在去应力凹槽2内侧流散形成包角，吸收了分布应力，且焊接面焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度增长，起始受力点远离陶瓷边缘，缓解残余应力，避免陶瓷件出现裂纹。
参见图2，本发明提供的方法制备的陶瓷外壳的结构包括底盘3、设于底盘3上的陶瓷体4和设于底盘3上的墙体1，陶瓷体4置于底盘3的一端，墙体1的一端设有用于设置陶瓷体4的开口，墙体1与陶瓷体4和底盘3相接的一端设有沿接缝延伸的去应力凹槽2，去应力凹槽2设置在墙体1的内墙面上，去应力凹槽2靠近陶瓷体4和底盘3的内壁与陶瓷体4和底盘3接触面重合，去应力凹槽2的槽底低于墙体1的内墙面。有去应力凹槽时，焊料在凹槽内侧流散形成包角，吸收了分布应力，且焊接面焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度增长(图4)，起始受力点远离陶瓷边缘，缓解残余应力。
请参阅图2，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，去应力凹槽2的槽底至墙体1的外墙面之间的距离大于或等于0.1mm。去应力去应力凹槽2尺寸不应过小，要保证焊料有足够的堆积区域，常规墙体1壁厚0.5mm，去应力去应力凹槽2尺寸不应小于0.1mm。
请参阅图1至图5，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，去应力凹槽2的宽度小于或等于0.2mm。常规焊接面宽度为0.5mm，增加去应力去应力凹槽2后，最小焊接面宽度不应小于0.2mm。
其中，参见图7为无去应力凹槽时，焊料在墙体和陶瓷交界处形成斜45°包角，此时，焊料包角6的边缘到陶瓷边缘的失效反应长度L1为0.2mm，起始受力点靠近陶瓷边缘，失效反应长度较短，易形成裂纹。
参见图8为有去应力凹槽时，焊料在凹槽和陶瓷交界内侧上表面形成焊料包角6，转移了陶瓷所受部分应力，且焊料包角6的边缘到陶瓷边缘的失效反应长度L2为0.4mm，起始受力点远离陶瓷边缘，与图7对比可知，失效反应长度增长，缓解残余应力。而且，相比图7的焊接长度L3，有去应力凹槽的焊接长度L4缩短。
作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，底盘3为钨铜材质。
请参阅图6，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，墙体1的材质为可伐合金。也称铁钴镍合金，合金的氧化膜致密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，广泛用于制作电真空元件，发射管，显像管，开关管，晶体管以及密封插头和继电器外壳等。可伐合金因为含钴成分，产品比较耐磨。
由于可伐、陶瓷、钨铜三者热膨胀系数不同，焊接过程中易形成残余应力降低连接强度，同时三者形成不同变形趋势，易使陶瓷产生裂纹发生失效。
请参阅图4，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，墙体1的外墙面与底盘3的四周外侧面平齐。
参阅图3及图4，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，陶瓷体4具有三个连续外侧面露于墙体1的外面，其中位于三个中间的一个外侧面凸出于底盘3，相互平行的两个外侧面与底盘3的外侧面平齐。
请参阅图1至图4，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，陶瓷体4凸出于所述底盘3的外侧面设有与该外侧面垂直且向外延伸的平台5，该平台5用于焊接焊针。
请参阅图1至图4，作为本发明提供的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法的一种具体实施方式，陶瓷体4与墙体1接触面的宽度大于墙体1的厚度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于，所述方法包括：
在墙体上与陶瓷体和底盘相接的一端沿焊接缝设置去应力凹槽，根据陶瓷体屈服强度和底盘形变要求，利用有限元计算所述去应力凹槽的尺寸；其中，通过ANSYS软件模拟计算管壳的钎焊降温过程，降温条件为25℃-810℃-25℃，该过程满足以下两个条件时，判断凹槽尺寸为适合：
陶瓷的最大拉应力≤400Mpa；
底盘的垂向变形≤0.05mm；
计算焊料量；初步焊料量为陶瓷与墙体焊接面积的80%，同时还要考虑以下两个外观条件：
（1）焊料流散包角为圆润的斜45°包角；
（2）焊料流散平滑无堆积；
因此在初步计算焊料用料后，需通过实验调整最终焊料量；
墙体、陶瓷体和底盘装配组合焊接；将陶瓷、焊料、墙体全部零件放入石墨磨具中，进行定位装配，采用25℃-810℃-25℃温度焊接；将装配好的管壳进入高温钎焊炉中，1小时候冷却成型；
残余应力对比测试；采用钻孔法对比测试陶瓷薄弱位置残余应力；采用极限压力破坏对比两种结构失效压力值；通过对比，无去应力凹槽时，焊料流散状态在墙体外侧，焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度较短，起始受力点靠近陶瓷边缘，易形成裂纹；有去应力凹槽时，焊料在凹槽内侧流散形成包角，吸收了分布应力，且焊接面焊料边缘到陶瓷边缘的失效反映长度增长，起始受力点远离陶瓷边缘，缓解残余应力；
陶瓷体置于底盘的一端，墙体的一端设有用于设置陶瓷体的开口，墙体与陶瓷体和底盘相接的一端设有沿接缝延伸的去应力凹槽，去应力凹槽设置在墙体的内墙面上，去应力凹槽靠近陶瓷体和底盘的内壁与陶瓷体和底盘接触面重合，去应力凹槽的槽底低于墙体的内墙面。
2.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述去应力凹槽的槽底至所述墙体的外墙面之间的距离大于或等于0.1mm。
3.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述去应力凹槽的宽度小于或等于0.2mm。
4.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述底盘为钨铜材质。
5.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述墙体的材质为可伐合金。
6.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述墙体的外墙面与所述底盘的四周外侧面平齐。
7.如权利要求6所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述陶瓷体具有三个连续外侧面露于所述墙体的外面，其中位于三个中间的一个外侧面凸出于所述底盘，相互平行的两个外侧面与所述底盘的外侧面平齐。
8.如权利要求7所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述陶瓷体凸出于所述底盘的外侧面设有与该外侧面垂直且向外延伸的平台。
9.如权利要求1所述的缓解陶瓷封装过程中应力释放的方法，其特征在于：所述陶瓷体与所述墙体接触面的宽度大于所述墙体的厚度。
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