王小菊,敦 濤,馬祥云,徐如祥,祁康成,曹貴川,林祖?zhèn)?/p>
(1. 北京軍區(qū)總醫(yī)院 北京 東城區(qū) 100700;2. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054)
場(chǎng)發(fā)射陣列陰極是十分理想的電子源。它依靠極強(qiáng)的外部電場(chǎng)來(lái)壓抑陰極表面勢(shì)壘,使勢(shì)壘高度降低、寬度變窄,這樣陰極內(nèi)部的大量電子通過(guò)隧道效應(yīng)而逸出[1-3]。場(chǎng)發(fā)射陣列陰極具有工作溫度低、可控性強(qiáng)、發(fā)射電流密度大、響應(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì),在微波真空器件[4-6]、醫(yī)療器件[7-9]、顯微技術(shù)[10-11]、光源[12-13]等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。
為了與大規(guī)模集成電路制備工藝兼容,場(chǎng)發(fā)射陣列陰極通常以單晶硅片作為基底。單晶硅是一種硬而脆的半導(dǎo)體材料,因此,陰極在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須通過(guò)焊接的方式將硅基底與外接金屬電極(如鉬)相連。目前,關(guān)于該焊接技術(shù)的相關(guān)報(bào)道很少,因此,研究場(chǎng)發(fā)射陰極硅基底與金屬鉬電極的焊接具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。
眾所周知,由于硅和釬料的熱脹系數(shù)有較大差別,將硅和金屬電極進(jìn)行直接焊接比較困難。當(dāng)二者焊接在一起時(shí),如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng),釬料容易將硅材料撕裂,從而造成焊接接頭的強(qiáng)度大幅度降低,遠(yuǎn)不能達(dá)到焊接要求。本文旨在獲得一套適用于場(chǎng)發(fā)射陣列陰極硅基底與鉬電極焊接的工藝參數(shù)。首先利用有限元軟件ANSYS對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真,研究釬焊溫度和降溫速度對(duì)最大等效應(yīng)力分布特性的影響。在獲得了較好的工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,再對(duì)該方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
本文在ANSYS熱分析中的結(jié)構(gòu)單元為Solid 5。
該模塊可以分析熱場(chǎng)、電場(chǎng)、壓電場(chǎng)和磁場(chǎng)等基本場(chǎng)量,并可將這些場(chǎng)量進(jìn)行耦合求解。被焊硅基底尺寸為9 mm×9 mm×0.45 mm,鉬電極尺寸為9 mm× 9 mm× 0.12 mm,焊料為Ag-Cu28。表1給出了鉬、硅和焊料的特性參數(shù)。
表1 鉬、硅和焊料的特性參數(shù)
在模擬計(jì)算中首先需要設(shè)定焊接的初始溫度和最終溫度。初始溫度由焊接中的介質(zhì)溫度決定,設(shè)為25 ℃。為了盡量減小焊料由液相到固相轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力,最終溫度設(shè)置為810~900 ℃,即略高于焊料的熔點(diǎn)(約790 ℃)。此外,因本文焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際環(huán)境為真空,故只考慮熱輻射,忽略熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。
ANSYS一般有兩種分析方式:穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析[14]。本文采用瞬態(tài)分析,即當(dāng)時(shí)間發(fā)生變化時(shí),溫度載荷隨之改變。而在載荷步的選擇上,論文采用漸變模式,即載荷在每個(gè)載荷子步時(shí)逐漸增加,全部載荷出現(xiàn)在載荷步結(jié)束時(shí)刻。
模擬中ANSYS的屈服準(zhǔn)則為Von Mise準(zhǔn)則,在三維主應(yīng)力空間,Von Mises屈服準(zhǔn)則滿足[14]:
式中,σ1、σ2、σ3為正交方向上的主應(yīng)力;σs為物體單向拉伸時(shí)的屈服極限;f為等效應(yīng)力。一旦式(1)不成立,則物體發(fā)生屈服。
圖1為釬焊溫度為850 ℃、降溫30 min后的等效應(yīng)力云圖??梢钥闯?,釬料與硅基底之間的區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū),并且應(yīng)力向硅基底方向延伸,應(yīng)力梯度較大。
考慮到硅與焊料界面上的應(yīng)力最大,圖2給出了沿焊縫方向的應(yīng)力變化圖。可以看出,邊緣的應(yīng)力梯度很大,應(yīng)力沿焊縫中心呈對(duì)稱分布,并在中間和兩邊緣達(dá)到極大值,最大等效應(yīng)力分別為1.36×108Pa和1.43×108Pa。應(yīng)力值最低點(diǎn)位于兩邊緣附近,為1.1×108Pa。焊縫中心出現(xiàn)較大等效應(yīng)力的原因可能是由于材料的熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)的差異。當(dāng)升溫或降溫時(shí),硅與焊料的受熱膨脹程度或遇冷收縮程度有較大不同,使得該區(qū)應(yīng)力較大。而在邊緣區(qū)域,該處與外部環(huán)境產(chǎn)生熱交換,形成較大的溫度梯度,也使應(yīng)力變大。而兩邊緣附近出現(xiàn)應(yīng)力值最低點(diǎn)是由于中間過(guò)渡區(qū)溫度梯度小導(dǎo)致的。
圖1 降溫30min后的等效應(yīng)力云圖
圖2 焊縫上的最大等效應(yīng)力分布圖
圖3 垂直于焊縫方向的最大等效應(yīng)力分布圖
為了進(jìn)一步研究焊縫中心各點(diǎn)的應(yīng)力分布,圖3給出了焊縫中心在垂直于焊縫方向的應(yīng)力變化。可以看出,應(yīng)力在釬料與硅界面上達(dá)到最大值,且該區(qū)域的應(yīng)力梯度很大;應(yīng)力最低點(diǎn)位于兩邊緣,且應(yīng)力變化較緩慢。
圖4給出了初始溫度為850 ℃時(shí),釬焊層最大等效應(yīng)力隨降溫速度的變化曲線。由圖可知,降溫速度對(duì)焊接應(yīng)力的影響很顯著。當(dāng)降溫速度較低時(shí),最大等效應(yīng)力隨降溫速度的增加而增大。當(dāng)降溫速度達(dá)到23 ℃/min時(shí),其最大等效應(yīng)力達(dá)到最大值。此后,隨降溫速度的增加,應(yīng)力值迅速減小。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)降溫速度較低時(shí),冷卻速度的增加不易使焊縫中的氣體逸出,形成氣孔,等效應(yīng)力增大;當(dāng)降溫速度超過(guò)23 ℃/min時(shí),焊件形成飽和的固溶體,等效應(yīng)力隨之急劇減小。
圖4 最大等效應(yīng)力與降溫速度的關(guān)系圖
圖5 最大等效應(yīng)力與釬焊溫度的關(guān)系圖
釬焊層最大等效應(yīng)力隨釬焊溫度的變化如圖5所示。當(dāng)釬焊溫度較低時(shí),最大等效應(yīng)力隨釬焊溫度的升高而迅速減小;當(dāng)釬焊溫度為850 ℃時(shí),應(yīng)力值最小,約為2.0×108Pa;當(dāng)釬焊溫度高于850 ℃時(shí),隨釬焊溫度的升高,應(yīng)力增大。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能在于當(dāng)釬焊溫度較低時(shí),增加溫度可以顯著降低焊料的表面張力,提高潤(rùn)濕性,增強(qiáng)填隙能力,從而降低釬焊層的應(yīng)力。而當(dāng)釬焊溫度過(guò)高時(shí),釬料對(duì)母材的擴(kuò)散進(jìn)一步加強(qiáng),導(dǎo)致過(guò)多釬料進(jìn)入母材硅,并生成脆性化合物,影響接頭的釬焊強(qiáng)度。此外,釬料與母材相互作用的加大還會(huì)引起溶蝕、晶間滲入等缺陷,從而使最大等效應(yīng)力增大。
根據(jù)ANSYS的仿真結(jié)果,本文以850 ℃作為最佳釬焊溫度,降溫速度設(shè)置為27 ℃/min,采用真空釬焊工藝,完成了場(chǎng)發(fā)射陣列陰極硅基底與鉬電極的焊接。圖6給出了垂直于釬縫的線掃描以及能譜圖(energy dispersive spectrometer, EDS)分析結(jié)果。線掃描的方向?yàn)榇怪庇阝F縫從硅材料掃向釬料區(qū)。從圖中可看出,在該工藝參數(shù)下,釬焊接頭組織致密,焊縫結(jié)合良好,沒(méi)有裂紋和空洞等缺陷,銀銅釬料幾乎沒(méi)有擴(kuò)散進(jìn)硅材料中,釬料對(duì)母材硅的影響很小,從而驗(yàn)證了ANSYS模擬所確定工藝參數(shù)的合理性。
圖6 垂直于釬縫的線掃描以及能譜圖
基于ANSYS平臺(tái),模擬了場(chǎng)發(fā)射陣列陰極與鉬電極焊接過(guò)程中的等效應(yīng)力,確定了最佳的工藝參數(shù)。仿真結(jié)果表明,當(dāng)焊接溫度為850 ℃、降溫速度為27 ℃/min時(shí),焊接層的等效應(yīng)力最小,母材與釬料結(jié)合緊密。真空釬焊測(cè)試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的焊接參數(shù)能夠滿足陰極的實(shí)際應(yīng)用要求,焊縫結(jié)合良好,沒(méi)有裂紋和空洞等缺陷。本方法還能擴(kuò)展到其他硅基器件與外接金屬鉬電極的焊接。
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