基于ANSYS的場(chǎng)發(fā)射陣列陰極焊接應(yīng)力研究

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。

1 有限元模型的建立

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。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 釬焊應(yīng)力分布

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。

2.2 降溫速度對(duì)應(yīng)力的影響

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

2.3 釬焊溫度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

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。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

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

4 結(jié) 束 語(yǔ)

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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