ZnS的低温钎焊连接工艺和机理研究

发布时间：2019-11-06 11:18

【摘要】：ZnS具有红外透过率高、透波范围广等特点,是目前应用最广泛的全波段透红外窗口材料。传统的光窗制造工艺是将ZnS以机械连接或粘接的形式与金属框架相连。由于金属框架的阻挡,降低了光电跟踪系统的性能。为了解决上述问题,本文提出用间接和直接钎焊两种方式来连接ZnS。一种是采用化学镀镍和离子溅射对ZnS进行表面预金属化,再用SnAgCu连接。另一种是用低温玻璃钎料直接钎焊ZnS。两种方式都获得了强度可靠的接头。探究了工艺参数对接头组织形貌的影响,分析了界面结合的机制和界面反应层的演变规律。通过对化学镀镍工艺和机理的研究,得到了镀层P含量和厚度可控、表面光洁、和ZnS结合良好的Ni-P层。通过ZnS粗化处理可以提高ZnS与Ni-P层的结合力。通过在不同温度下进行化学镀,发现在90°C下可以得到P的质量分数为8.5%左右,适宜进行钎焊的Ni-P层。在相同温度下,镀层的厚度与施镀时间成一定的线性正相关关系,镀速稳定,90°C下的镀速约为20μm/h。随着温度升高,镀速升高,P的含量会下降。通过对界面形貌和元素扩散的分析,认为Ni-P层与ZnS之间是以机械结合为主,并存在一定分子间作用力的物理结合机制。研究了SnAgCu钎焊预金属化后的ZnS的工艺和机理。250°C下SnAgCu可以很好的润湿预置Au/Ni-P层的ZnS,润湿角为15°。分析了接头的组织形貌和界面结构,界面形成的反应层是(Ni,Cu)6Sn5或(Ni,Cu)3Sn4,Ni-P发生晶态转变生成了Ni3P,钎料中有Ag3Sn析出。随着钎焊温度升高或者保温时间延长,Ni-P层被不断消耗,Ni3P厚度增加,反应层逐渐生长。由于Ni、Sn的扩散速率的差异,形成了Kirkendall空洞。对220-280°C下保温1-5min钎焊的接头进行力学性能测试,结果断裂都发生在ZnS上,属于脆性断裂。研究了掺杂PbTi O3的Pb O-B2O3-Zn O玻璃钎料钎焊ZnS的工艺和机理。测试了特征温度,确定了钎焊温度在400-450°C。测试了钎料的热膨胀系数,与ZnS热膨胀系数匹配性很好。接头界面形成Pb S反应层,钎料中弥散分布有Pb Ti O3颗粒。从热力学角度验证了界面反应进行的自发性,认为Pb S是S扩散和玻璃体中的熔融Pb2+反应生成的。随着温度升高和保温时间延长,反应层从无到有,厚度逐渐增加。采用烧结重熔的方式可以减少接头中的气孔缺陷。由于Pb Ti O3颗粒对焊缝的第二相弥散强化作用以及界面反应形成的界面化学结合作用,所以接头强度测试断裂发生在ZnS上,接头力学性能可以满足使用的要求。
【图文】：

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图 1-2 F-35 战斗机装备的光电跟踪系统 EOTS目前，已有的红外窗口材料有蓝宝石、ZnS、ZnSe、Ge、Si、GaAs、GaP、AlON、MgAl2O4、MgF2、CVD 金刚石[15,16]等等。表 1-1 给出了一部分常用的红外窗口材料的主要性能参数[17]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG454

【参考文献】

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本文编号：2556687