馬 可，辛 舟，閻峰云

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率模塊芯片集成度不斷提高、芯片功率不斷增大，芯片的工作溫度也隨之不斷上升，相應(yīng)的對(duì)其封裝材料尤其是散熱基板的要求也越來越高，要求散熱基板具有與電子芯片相匹配的較低熱膨脹系數(shù)，為了滿足輕量化的要求，不僅要求材料的密度盡可能低，彈性模量盡可能高，而且還要求有較高的熱導(dǎo)率[1-2]。鋁碳化硅復(fù)合材料是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有密度低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、剛度高、幾何精度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于航空、航天、高鐵及微波等領(lǐng)域[3]，成為理想的散熱基板材料，但是目前鋁碳化硅復(fù)合基板制備方法成了關(guān)鍵問題，采用真空熱電擠壓鋁碳化硅粉末制備鋁基復(fù)合基板，由于考慮到在非真空環(huán)境下高溫?zé)釅喝菀壮霈F(xiàn)氧化腐蝕等問題，但在真空環(huán)境下熱壓有助于提高鋁基復(fù)合基板的致密度，為此具體設(shè)計(jì)了用于鋁基復(fù)合基板制備的真空室，為鋁基復(fù)合基板提供了真空制備的條件，實(shí)現(xiàn)了真空熱電擠壓下對(duì)鋁基復(fù)合基板的制備。

1 真空室形狀及幾何尺寸的確定

根據(jù)使用要求的不同，真空室有圓筒形、球形、圓錐形、盒形等，大多數(shù)真空殼體都是圓筒形，原因是制造容易且強(qiáng)度好。盒形殼體制造復(fù)雜，但盒形殼體內(nèi)部可利用的空間大[4]，鋁基復(fù)合基板采用真空熱電擠壓鋁碳化硅粉末制備而得，制備所需的模具（幾何尺寸500 mm×500 mm×500 mm）支撐架固定在HTP32-315F型四柱式液壓機(jī)工作平臺(tái)上，液壓機(jī)的工作臺(tái)有效尺寸1 260 mm×1 120 mm，考慮到模具和支撐架的結(jié)構(gòu)形狀為方形，以及安插到模具中的銅板、水管、線路等，便于集成安裝及安裝接口布置等問題，選擇盒形真空室的長(zhǎng)、寬、高分別為880 mm、1 000 mm、840 mm。

2 真空室材料選擇及壁厚計(jì)算

2.1 真空室殼體材料選擇

根據(jù)鋁基復(fù)合基板制備用真空室的使用環(huán)境、加工成形過程、內(nèi)部器件要求以及保持高真空環(huán)境對(duì)金屬材料的要求，真空室材料的選材需考慮因素有[5]：（1）真空室長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，需考慮真空室在大氣環(huán)境中各因素的腐蝕影響情況；（2）真空室成形過程中經(jīng)過車削加工，需考慮材料的機(jī)械加工性能，真空零部件成型后，還需經(jīng)過真空密封焊接，因此要求材料有較好的焊接性能；（3）根據(jù)真空材料的適用要求，要求真空室材料力學(xué)、化學(xué)性能好，且放氣量相對(duì)較少。

基于以上因素選用奧氏體不銹鋼作為真空室的殼體制造材料，且考慮到制備鋁基復(fù)合基板真空系統(tǒng)的成本，選用國(guó)產(chǎn)不銹鋼材料進(jìn)行真空室加工，其中304不銹鋼作為大量應(yīng)用的工業(yè)材料，其耐腐蝕性能、機(jī)械性能等均優(yōu)于常規(guī)金屬，所以真空室材料選擇國(guó)產(chǎn)304不銹鋼。

2.2 真空室殼體板厚計(jì)算

根據(jù)盒形真空室的總體結(jié)構(gòu)及選用的真空室殼體制造材料，組成真空室盒形殼體的不銹鋼板厚度按盒形真空室設(shè)計(jì)公式[6]計(jì)算：

式中：S為殼體的實(shí)際壁厚，mm；S0為殼體的計(jì)算壁厚，mm；C為壁厚的附加量，mm；C1為鋼板的最大負(fù)公差附加量，mm，取0.5 mm；C2為腐蝕裕度，mm，不銹鋼取0；C3為封頭沖壓時(shí)的拉伸減薄量，mm，其中C3=10%S0（不大于4 mm）；b為矩形板的窄邊長(zhǎng)度，cm，根據(jù)真空室內(nèi)部筋板布置情況，b取22 cm。

304不銹鋼材料的許用應(yīng)力[σ彎]：

（1）按照強(qiáng)度極限確定許用應(yīng)力

（2）按照屈服極限確定許用應(yīng)力

式中：σb為材料的強(qiáng)度極限；σs為材料的屈服極限；nb、ns分別為材料的安全系數(shù)。故304不銹鋼材料的許用應(yīng)力[σ]彎取兩者中之最小值為137 MPa。

為了簡(jiǎn)化壁厚計(jì)算取整數(shù)為6 mm，但要經(jīng)過水壓試驗(yàn)應(yīng)力σ校核，矩形板的應(yīng)力校核公式[7]為：

計(jì)算得σ≈191.7 MPa＞0.9σs=184.5 MPa，無法滿足校核要求，故6 mm的壁厚不夠，考慮到矩形板面上開孔、材料標(biāo)準(zhǔn)厚度及材料氣體滲透等因素，則選用厚度為8 mm的不銹鋼板，能夠滿足水壓試驗(yàn)校核要求。真空室上蓋通過計(jì)算，考慮其上蓋開孔的緣故，其厚度取28 mm，撓度計(jì)算f=0.02 cm，滿足剛性變形要求，真空室底座，考慮到通過四個(gè)螺栓固定安置在四柱液壓機(jī)工作臺(tái)上，受到上壓機(jī)構(gòu)通過模具傳遞到底座上的壓力12.6 MPa，通過計(jì)算此壓力下304不銹鋼許用擠壓應(yīng)力滿足，同時(shí)根據(jù)上蓋厚度選取結(jié)果，真空室底座厚度取30 mm。

3 真空室密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

真空室門、上蓋、觀察窗口側(cè)固定門與真空室均需要良好密封，屬于靜密封，在其各表面邊緣處設(shè)計(jì)矩形凹槽，用來安裝O型密封圈，擰緊連接螺釘，擠壓密封圈，實(shí)現(xiàn)真空室與其的密封。紅外射線、熱電偶以及照明燈孔與真空室螺紋連接，在螺紋上纏繞生料帶，填補(bǔ)螺紋間的縫隙，達(dá)到良好密封。

鋁基復(fù)合基板制備過程中的20 000 A電流的引入處，采用樹脂膠粘結(jié)絕緣膠木，中間銅板螺栓連接，之后用框架固定在真空室壁上，如圖1所示。

鋁基復(fù)合基板制備過程中，上壓機(jī)構(gòu)、頂出基板機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、都需要傳動(dòng)軸上下左右移動(dòng)，傳動(dòng)軸與真空室之間需要?jiǎng)用芊膺B接。其密封結(jié)構(gòu)如圖2～圖4所示。

圖1 電源引入處密封結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The seal structure of power intake

圖2 上壓機(jī)構(gòu)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The dynamic seal structure of press substrate mechanism

圖3 頂出基板機(jī)構(gòu)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The dynamic seal structure of push-out substrate mechanism

圖4 推料機(jī)構(gòu)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The dynamic seal structure of pushing material mechanism

4 真空室整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空室的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是鋁基復(fù)合基板制備過程中保證壓樣能順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)制備基板工藝的需求，所設(shè)計(jì)的真空室總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 真空室結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of vacuum chamber

為了滿足鋁基復(fù)合基板制備的需要，真空系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：（1）真空室工作時(shí)，真空抽氣機(jī)組能夠保證室內(nèi)氣壓穩(wěn)定在1×10-3Pa；（2）真空測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍為1×10-5～1×105Pa；（3）真空系統(tǒng)抽氣時(shí)間小于1 h；（4）真空系統(tǒng)工作時(shí)，真空室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

為達(dá)到鋁基復(fù)合基板在真空室內(nèi)壓樣運(yùn)行穩(wěn)定符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，通過選泵的相關(guān)計(jì)算，選擇K-400型擴(kuò)散泵為主泵，2X-30型旋片式機(jī)械泵為前級(jí)泵組合的真空機(jī)組對(duì)真空室進(jìn)行真空抽氣，抽氣過程中真空室必須保證內(nèi)應(yīng)力和變形量在允許的范圍內(nèi)，真空室所受的有重力和大氣壓力，整個(gè)真空室是固定在四柱液壓機(jī)的工作平面上，自重豎直向下，作用在工作臺(tái)上，對(duì)其變形和內(nèi)應(yīng)力影響較小，因此真空室所受主要載荷為大氣壓力[8]。有限元分析采用ANSYS仿真[9-10]，真空室底面支撐部位都使用全約束，圖6和圖7分別為真空室整體等效應(yīng)力分布和變形分布云圖。

圖6 真空室等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Equivalent Stress cloud of vacuum chamber

圖7 真空室變形分布云圖Fig.7 Deformation cloud of vacuum chamber

真空室整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在真空室觀察窗側(cè)固定門頂角處，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為96.56 MPa，滿足304不銹鋼的屈服極限強(qiáng)度要求，真空室強(qiáng)度滿足要求；真空室最大變形出現(xiàn)在真空室的門結(jié)構(gòu)處，最大變形量為0.572 mm，遠(yuǎn)小于真空室的壁厚，因此真空室剛性變形符合要求。

5 結(jié)論

圍繞用真空熱電擠壓方法制備鋁基復(fù)合基板所需的真空系統(tǒng)中真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了真空室的形狀和大小，選擇了真空室殼體制造的材料和其適合的壁厚，設(shè)計(jì)了其關(guān)鍵部位的靜、動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)基板制備的工藝要求設(shè)計(jì)完成了其真空室的整體結(jié)構(gòu)，并采用有限元分析軟件ANSYS分析了真空室的最大應(yīng)力和應(yīng)變，結(jié)果表明，真空室的強(qiáng)度剛性符合設(shè)計(jì)要求，克服了在非真空環(huán)境下制備基板的氧化腐蝕等問題，為鋁基復(fù)合基板的真空熱電擠壓制備創(chuàng)造了一個(gè)穩(wěn)定的真空環(huán)境。

[1]郭麗萍，陳敏.大功率模塊用鋁碳化硅高導(dǎo)熱基板材料的制備方法.中國(guó)：CN103949613A[P].2014-03-12.

[2]張泉.高壓IGBT模塊基板焊接工藝研究[J].大功率變流技術(shù)，2011（3）：5-7．

[3]歐陽(yáng)柳章，羅承萍，隋賢棟，等.SiCp/Al復(fù)合材料的制造及新動(dòng)向[J].鑄造，2000，49（1）：17-20．

[4]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第三版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：676-1392.

[5]張海龍，王田剛，朱恩寶，等.多路超導(dǎo)接收系統(tǒng)用矩形靜態(tài)真空室設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo)，2017（2）：49-55.

[6]劉玉魁.盒形不銹鋼真空室殼體設(shè)計(jì)與制造[J].真空與低溫，1989（4）：20-25.

[7]劉玉魁.真空工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：500-598.

[8]曾群鋒，于飛.真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，33（7）：627-631.

[9]韓瀟，祁妍.大型真空容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元分析與應(yīng)用[J].航天器環(huán)境工程，2009，26（2）：150-153.

[10]陸爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.