氮化鋁與可伐封接件有限元應力分析
陶瓷金屬封接件內殘余應力主要是由熱膨脹系數不匹配造成的,受各種因素的影響。其應力大小、分布影響著(zhù)封接件的可靠性。對微波管內復雜氮化鋁陶瓷-可伐金屬結構運用有限元法計算封接件的應力。計算的結果表明,實(shí)際斷裂方式與有限元分析相吻合。在此基礎上,優(yōu)化了封接結構,提出改進(jìn)工藝,取得成功。
陶瓷-金屬連接中的殘余應力是陶瓷在工程應用中的關(guān)鍵問(wèn)題之一,也直接影響著(zhù)封接件的可靠性。當封接件應力大到一定程度時(shí),有可能破壞金屬化層與陶瓷的連接而漏氣。當應力超過(guò)陶瓷材料強度時(shí),有可能造成陶瓷炸裂。在功率器件中使用熱膨脹系數與陶瓷不匹配的無(wú)磁金屬以及制造復雜結構,尺寸的陶瓷金屬封接件,都要求周詳的解決其結構設計問(wèn)題。封接應力的分析,計算,測量方面的研究成果為合理設計功率器件的封接結構提供了重要依據,因而也是發(fā)展功率電子器件的基礎之一。
封接應力的理論分析與計算,為陶瓷-金屬封接結構設計和合理選擇匹配封接材料提供指導與參考陶瓷金屬焊接應力的理論分析計算主要是采用基于薄殼理論的公式。由于采用了薄殼近似,故只適用少數結構較簡(jiǎn)單薄殼結構,有一定的局限性。目前,隨著(zhù)各種復雜陶瓷金屬封接結構的出現,計算機技術(shù)的發(fā)展,采用有限元法數值計算陶瓷金屬接結構中應力已成為應力研究中的熱點(diǎn)。據資料統計表明,日本自1986年至1990年五年之中發(fā)表的陶瓷與金屬連接的113篇文章研究應力及緩解的文章占37篇,居各項研究?jì)热葜?,可見(jiàn)該問(wèn)題的重要性。
氮化鋁陶瓷因其較高的熱導率及良好微波介電性能在大功率電真空器件中有廣泛的應用前景。將氮化鋁陶瓷應用于大功率微波器件中,設計了如圖1所示陶瓷金屬連接結構,由于適用于大功率微波器件的氮化鋁陶瓷性能要求高,形狀復雜且燒結成型不易,可供實(shí)驗的氮化鋁陶瓷數量少、制造成本高。氮化鋁與可伐金屬熱膨脹系數差異較大屬不匹配封接,一旦封接失敗,實(shí)驗成本極其高昂。由于未有資料、經(jīng)驗可循,先采用數值模擬技術(shù)分析封接件的應力,以期達到事半功倍的效果。
本文采用ANSYS910軟件對應用于大功率器件氮化鋁陶瓷與可伐封接件,在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應力進(jìn)行分析,根據模擬結果對封接件薄弱處分析,預測出可能斷裂的位置,并與實(shí)際的焊接試驗相比較。在此基礎上,優(yōu)化封接結構,提出改進(jìn)工藝,在實(shí)踐中取得了成功。
1、有限元分析模型的建立
計算中假設氮化鋁陶瓷為連續的完全彈性體,金屬可伐為理想彈塑性體。采用的邊界條件是對可伐金屬底面端點(diǎn)施加y 軸向位移為0 的約束。本文所分析氮化鋁與可伐外套封加一底面的平封結構,如圖1 所示。
圖1 金屬可伐與氮化鋁陶瓷的封接結構平面示意圖 表1 材料的物性參數
由于為軸對稱(chēng)結構,分析時(shí)采用了軸向截面的二分之一,選用PLANE13 元劃分網(wǎng)格。有限元計算所需物性材料表見(jiàn)表1。
2、計算結果及分析
封接應力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)隨加熱和冷卻發(fā)展而變化的材料熱彈塑性應力應變的動(dòng)態(tài)過(guò)程。其中封接溫度場(chǎng)的準確測量或計算是封接應力、應變動(dòng)態(tài)熱彈塑性分析的前提。焊接前的升溫過(guò)程中,兩種封接材料都處于自由態(tài),計算應力時(shí)不考慮升溫過(guò)程,以焊料的熔化溫度800 ℃作為零應力溫度,計算降至室溫時(shí),封接件中殘余應力大小。如圖2所示,模擬出封接溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化與實(shí)際焊接降溫曲線(xiàn)一致。
圖2 封接件溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化 圖3 封接件x,y方向殘余應力云圖
殘余應力誘發(fā)了陶瓷-金屬接頭中的裂紋,并且認為裂紋起源于最大主應力處,其擴展軌跡與應力場(chǎng)及連體材料和接頭的斷裂能有關(guān)。將最大主應力(有時(shí)也用最大軸向正應力) 作為判斷斷裂的標準。
從實(shí)際焊接試驗出發(fā),封接件斷裂主要是發(fā)生在陶瓷一側,故模擬時(shí),主要對氮化鋁陶瓷一側的應力進(jìn)行分析。由圖3可看出x,y向應力最大值均在與可伐金屬套筒齊高氮化鋁陶瓷處,其值高達357MPa,且靠近此處陶瓷側殘余應力梯度變化較大。而氮化鋁陶瓷屬脆性材料,抗拉性能較差,其抗拉強度約為350MPa。故焊接時(shí)極易在此處產(chǎn)生微裂紋,封接件開(kāi)裂結果與有限元應力分析結果一致。
模擬最大可能斷裂位置三維模型圖5與封接件實(shí)際斷裂圖4;改變氮化鋁瓷筒高度后其封接應力的變化如圖6和圖7所示。
