氮化鋁與可伐封接件有限元應(yīng)力分析

　　陶瓷金屬封接件內(nèi)殘余應(yīng)力主要是由熱膨脹系數(shù)不匹配造成的,受各種因素的影響。其應(yīng)力大小、分布影響著封接件的可靠性。對微波管內(nèi)復(fù)雜氮化鋁陶瓷-可伐金屬結(jié)構(gòu)運用有限元法計算封接件的應(yīng)力。計算的結(jié)果表明,實際斷裂方式與有限元分析相吻合。在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化了封接結(jié)構(gòu),提出改進工藝,取得成功。

　　陶瓷-金屬連接中的殘余應(yīng)力是陶瓷在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一,也直接影響著封接件的可靠性。當(dāng)封接件應(yīng)力大到一定程度時,有可能破壞金屬化層與陶瓷的連接而漏氣。當(dāng)應(yīng)力超過陶瓷材料強度時,有可能造成陶瓷炸裂。在功率器件中使用熱膨脹系數(shù)與陶瓷不匹配的無磁金屬以及制造復(fù)雜結(jié)構(gòu),尺寸的陶瓷金屬封接件,都要求周詳?shù)慕鉀Q其結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。封接應(yīng)力的分析,計算,測量方面的研究成果為合理設(shè)計功率器件的封接結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù),因而也是發(fā)展功率電子器件的基礎(chǔ)之一。

　　封接應(yīng)力的理論分析與計算,為陶瓷-金屬封接結(jié)構(gòu)設(shè)計和合理選擇匹配封接材料提供指導(dǎo)與參考陶瓷金屬焊接應(yīng)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(shù)結(jié)構(gòu)較簡單薄殼結(jié)構(gòu),有一定的局限性。目前,隨著各種復(fù)雜陶瓷金屬封接結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),計算機技術(shù)的發(fā)展,采用有限元法數(shù)值計算陶瓷金屬接結(jié)構(gòu)中應(yīng)力已成為應(yīng)力研究中的熱點。據(jù)資料統(tǒng)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(yīng)力及緩解的文章占37篇,居各項研究內(nèi)容之首 ,可見該問題的重要性。

　　氮化鋁陶瓷因其較高的熱導(dǎo)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(yīng)用前景。將氮化鋁陶瓷應(yīng)用于大功率微波器件中,設(shè)計了如圖1所示陶瓷金屬連接結(jié)構(gòu),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(fù)雜且燒結(jié)成型不易,可供實驗的氮化鋁陶瓷數(shù)量少、制造成本高。氮化鋁與可伐金屬熱膨脹系數(shù)差異較大屬不匹配封接,一旦封接失敗,實驗成本極其高昂。由于未有資料、經(jīng)驗可循,先采用數(shù)值模擬技術(shù)分析封接件的應(yīng)力,以期達到事半功倍的效果。

　　本文采用ANSYS910軟件對應(yīng)用于大功率器件氮化鋁陶瓷與可伐封接件,在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進行分析,根據(jù)模擬結(jié)果對封接件薄弱處分析,預(yù)測出可能斷裂的位置,并與實際的焊接試驗相比較。在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化封接結(jié)構(gòu),提出改進工藝,在實踐中取得了成功。

1、有限元分析模型的建立

　　計算中假設(shè)氮化鋁陶瓷為連續(xù)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(jié)構(gòu),如圖1 所示。

圖1 　金屬可伐與氮化鋁陶瓷的封接結(jié)構(gòu)平面示意圖　　表1 　材料的物性參數(shù)

　　由于為軸對稱結(jié)構(gòu),分析時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表1。

2、計算結(jié)果及分析

　　封接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個隨加熱和冷卻發(fā)展而變化的材料熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)過程。其中封接溫度場的準(zhǔn)確測量或計算是封接應(yīng)力、應(yīng)變動態(tài)熱彈塑性分析的前提。焊接前的升溫過程中,兩種封接材料都處于自由態(tài),計算應(yīng)力時不考慮升溫過程,以焊料的熔化溫度800 ℃作為零應(yīng)力溫度,計算降至室溫時,封接件中殘余應(yīng)力大小。如圖2所示,模擬出封接溫度場隨時間變化與實際焊接降溫曲線一致。

圖2 　封接件溫度場隨時間的變化　　圖3 　封接件x,y方向殘余應(yīng)力云圖

　　殘余應(yīng)力誘發(fā)了陶瓷-金屬接頭中的裂紋,并且認(rèn)為裂紋起源于最大主應(yīng)力處,其擴展軌跡與應(yīng)力場及連體材料和接頭的斷裂能有關(guān)。將最大主應(yīng)力(有時也用最大軸向正應(yīng)力) 作為判斷斷裂的標(biāo)準(zhǔn)。

　　從實際焊接試驗出發(fā),封接件斷裂主要是發(fā)生在陶瓷一側(cè),故模擬時,主要對氮化鋁陶瓷一側(cè)的應(yīng)力進行分析。由圖3可看出x,y向應(yīng)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(cè)殘余應(yīng)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。故焊接時極易在此處產(chǎn)生微裂紋,封接件開裂結(jié)果與有限元應(yīng)力分析結(jié)果一致。

　　模擬最大可能斷裂位置三維模型圖5與封接件實際斷裂圖4;改變氮化鋁瓷筒高度后其封接應(yīng)力的變化如圖6和圖7所示。