超硬Pt-W合金丝与Au镀层微电阻焊连接方法及工艺研究

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平面旁热式气体传感器技术的快速发展,对传感器内引线的机械支撑、电气性能等技术指标提出更高要求。铂钨合金因具有抗腐蚀性好、导热率低、耐高温和机械强度高等性能优势,逐渐成为平面旁热式气体传感器内引线应用的新趋势。尽管铂钨合金可以提升平面旁热式气体传感器引线性能,但直径40μm铂钨合金丝与10μm厚金镀层有着较大的物理和化学性质差异、互连尺度小、结构特殊,导致连接过程中易出现金层破坏、接头缺陷、一致性差等问题,给传感器内引线连接带来极大的挑战。针对上述问题,本文采用微电阻焊互连工艺方法,研究铂钨合金(PtW8)丝与金镀层微电阻焊的机理,解决工艺调控问题,实现超硬铂钨合金丝与金镀层异质材料间的直接连接,为平面旁热式气体传感器提供技术支撑。论文将从如下几方面展开研究:首先,研究超硬铂钨合金丝与金镀层的微电阻焊接机理。针对直径40μm超硬铂钨合金丝与10μm厚金镀层连接问题,综合分析普通异质金属连接过程与实现方法,研究铂钨合金与金连接界面温场分布规律,进而分析液态金在铂钨合金表面的浸润性行为;分析超硬铂钨合金丝与金层的微电阻焊连接过程,进而探索铂钨合金与金微电阻焊直接连接机理。理论分析结果表明:实现微电阻焊连接的关键是焊接工艺下镀层金在铂钨合金表面的浸润爬升状态;合理调控工艺参数,可以实现合适的浸润爬升并可避免镀层破坏,并有助于解决异质金属接头处出现的裂纹、沟槽等连接缺陷。然后,搭建实验系统开展工艺实验研究。针对直径40μm超硬铂钨合金丝与10μm厚金镀层的微电阻焊连接工艺需要精准控制输出能量、精确控制压力和特殊电极头等要求,综合分析工艺需求实现方式,优化设计与实现焊接电源、压力机构以及电极头等关键部件,搭建微电阻焊实验系统。研究超硬铂钨合金丝与金镀层微电阻焊的工艺参数调控方法;开展单因素工艺实验,研究焊接参数(焊接电压、电极压力和焊接时间)对焊接质量(接头表面形貌、接头横截面形貌和力学性能)的影响,并分析接头断裂形式及其影响因素。实验结果表明:焊接电压过大,铂钨合金软化有利焊接,金镀层起皱、烧穿,接头处出现裂纹和沟槽等缺陷,接头力学性能差;电极压力较大时,接头中出现明显的沟槽缺陷,接头力学性能较差;电压或压力过小,都无法连接;焊接能量采用RC脉冲控制方式,脉冲时间在60ms~90ms。最后,进行工艺优化与实验验证。针对直径40μm超硬铂钨合金丝与10μm厚金镀层微电阻焊连接工艺,利用分式析因法设计试验,研究最优工艺参数组合并进行极差和方差分析,获得最优实验参数组合以及各因素对接头拉伸断裂力的影响。实验发现各因素对拉伸断裂力的影响程度为:焊接电压>电极压力>焊接时间;最佳工艺参数组合为:焊接电压0.95V,焊接时间80ms,电极压力3N;对最佳工艺参数条件下接头进行力学性能、电气性能和抗振动性能测试,实验结果表明:接头形貌成型良好,强度较高,接头断裂力可达9.35gf;接头的电气性能良好,电阻值为9.31mΩ,随工作温度影响小;接头的抗振动性能良好,振动后接头断裂力和电阻值变化很小。
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