[发明专利]互不固溶金属的直接键合连接工艺

说明书

技术领域

 本发明属于一种金属连接的技术，特别是涉及一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，具体为互不固溶金属钼与铜的直接键合连接。

背景技术

受控热核聚变能有望成为新世纪主要能源之一，其中等离子体面对材料（PFMs）是核聚变工程的关键材料（部件）。钼金属由于具有较高的熔点、良好的热导率、低蒸汽压以及低溅射侵蚀产量成为了等离子面对材料的候选材料，而铜金属则由于良好的热导率用于核聚变装置的热沉材料，对等离子面对材料和热沉进行连接即对钼和铜进行连接是核聚变研究中的一个需要攻克的技术。

目前，常见的金属连接方法主要有熔焊、钎焊和铆接等等。这些连接方式可分为两类：第一类是机械连接，比如铆接、通过螺钉连接等，这类连接方式基于机械结构、外力实现连接，但是没有实现金属间的扩散，即没有实现冶金结合，这类连接很难用于核聚变装置中；第二类为扩散连接，例如熔焊、钎焊、键合等，目前这类连接方法还局限于互相固溶的合金体系，利用了加热促使原子之间发生扩散、熔合实现不同金属之间的连接。而对于互不固溶金属之间的生成热为正值，很难发生扩散而实现合金化，直接利用扩散、熔合来实现连接难度很大。

对于互不固溶层状金属的连接方法，目前主要是采用与两种待连接金属均固溶的金属作为中间层，利用中间层与两种待连接金属的相互扩散实现连接。例如，将镍作为中间层，然后在800℃高温下施加一定压力或进行热轧来实现钼、铜两种材料的连接，显然这种方法改变了钼/铜连接件的实际成分，会带来附加的性能（如镍会带来铁磁性）。除采用中间层金属之外，近年来还出现了一种所谓的“辐照损伤合金化”的方法来连接互不固溶金属，如对钼/银金属之间的连接（CN 201110008862.5）。连接时首先是在钼金属表面进行离子注入，然后进行无氰电镀银，再通过氩气保护下的高温退火实现钼、银两种金属的直接连接，钼/银界面上也实现了冶金结合。但这种方法依赖于离子注入技术，工艺繁琐，连接效率有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，特别是互不固溶金属钼、铜的直接键合连接。通过对钼和铜表面进行前处理，叠合后准确选择加压退火时的温度，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接。本发明连接强度达到了203MPa，可满足核聚变装置的性能要求。

本发明提供的互不固溶金属钼、铜直接键合连接工艺主要包括了以下步骤：

1）钼板和铜箔的前处理。钼板前处理包括了去油、清洗、刻蚀、超声波清洗等步骤，其过程为：将用酒精洗过的钼板浸入去油液中浸泡，取出后放入去离子水中清洗；然后将经过去油清洗的钼板放入刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀结束后浸入去离子水中浸泡，然后在去离子水中进行超声波清洗，超声清洗结束后晾干待用。铜箔不进行刻蚀，只进行去油清洗，其工序与钼板相同。

2）钼/铜叠装配加压。将经过前处理的钼板和铜箔叠合后，上下面依次分别盖上石英片和铌板，然后四角上用扭矩扳手拧紧钼制螺栓（规格为M8）加压，扭矩为40~60N·m。加上石英片的目的在于防止钼/铌，铌/铜之间发生作用。

3）键合退火。将加压好的额样品放入气氛炉中进行氩气保护退火。退火温度选择在                                               ，接近铜的熔点温度，保温时间控制在2-2.5min。

本发明进行以下测试：

1）钼与铜键合界面形貌扫描电子显微镜（SEM）观察。

2）钼/铜层状键合连接件的成分俄歇能谱（AES）分析。

3）钼/铜的键合连接强度测试。

本发明提供了一种互不固溶金属的直接键合连接工艺。该直接键合连接方法的关键在于采用接近于互不固溶金属中低熔点金属一方熔点的温度进行键合退火。通过对钼和铜表面进行前处理，叠合后准确选择加压退火时的温度，使退火温度接近于铜的熔点温度，实现了钼/铜两种金属之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了钼/铜之间的高强度连接。本发明不采用中间金属层和离子注入方法直接实现了两种互不固溶金属的连接，可避免第三方元素对材料性能的影响，不会改变连接件的实际成分及产生附加性能，连接效率较高，可操作性也较好。本发明连接强度达到了203MPa，可满足核聚变装置的性能要求。

附图说明

图1：本发明钼/铜连接件的结构示意图。

图2：本发明钼/铜直接键合连接所用的加压装置示意图。

图3：本发明钼/铜连接件的截面形貌观察SEM图。

图4：本发明使用的扭矩扳手图。