制備鋁基復合基板真空室的結構設計

馬 可，辛 舟，閻峰云

（蘭州理工大學 甘肅省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050）

0 引言

隨著半導體技術的發展，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，相應的對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，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率[1-2]。鋁碳化硅復合材料是一種先進的復合材料，具有密度低、熱導率高、熱膨脹系數低、剛度高、幾何精度穩定等優點，適合應用于航空、航天、高鐵及微波等領域[3]，成為理想的散熱基板材料，但是目前鋁碳化硅復合基板制備方法成了關鍵問題，采用真空熱電擠壓鋁碳化硅粉末制備鋁基復合基板，由于考慮到在非真空環境下高溫熱壓容易出現氧化腐蝕等問題，但在真空環境下熱壓有助于提高鋁基復合基板的致密度，為此具體設計了用于鋁基復合基板制備的真空室，為鋁基復合基板提供了真空制備的條件，實現了真空熱電擠壓下對鋁基復合基板的制備。

1 真空室形狀及幾何尺寸的確定

根據使用要求的不同，真空室有圓筒形、球形、圓錐形、盒形等，大多數真空殼體都是圓筒形，原因是制造容易且強度好。盒形殼體制造復雜，但盒形殼體內部可利用的空間大[4]，鋁基復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型四柱式液壓機工作平臺上，液壓機的工作臺有效尺寸1 260 mm×1 120 mm，考慮到模具和支撐架的結構形狀為方形，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、寬、高分別為880 mm、1 000 mm、840 mm。

2 真空室材料選擇及壁厚計算

2.1 真空室殼體材料選擇

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

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合基板真空系統的成本，選用國產不銹鋼材料進行真空室加工，其中304不銹鋼作為大量應用的工業材料，其耐腐蝕性能、機械性能等均優于常規金屬，所以真空室材料選擇國產304不銹鋼。

2.2 真空室殼體板厚計算

根據盒形真空室的總體結構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計公式[6]計算：

式中：S為殼體的實際壁厚，mm；S0為殼體的計算壁厚，mm；C為壁厚的附加量，mm；C1為鋼板的最大負公差附加量，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為矩形板的窄邊長度，cm，根據真空室內部筋板布置情況，b取22 cm。

304不銹鋼材料的許用應力[σ彎]：

（1）按照強度極限確定許用應力

（2）按照屈服極限確定許用應力

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

為了簡化壁厚計算取整數為6 mm，但要經過水壓試驗應力σ校核，矩形板的應力校核公式[7]為：

計算得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、材料標準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，能夠滿足水壓試驗校核要求。真空室上蓋通過計算，考慮其上蓋開孔的緣故，其厚度取28 mm，撓度計算f=0.02 cm，滿足剛性變形要求，真空室底座，考慮到通過四個螺栓固定安置在四柱液壓機工作臺上，受到上壓機構通過模具傳遞到底座上的壓力12.6 MPa，通過計算此壓力下304不銹鋼許用擠壓應力滿足，同時根據上蓋厚度選取結果，真空室底座厚度取30 mm。

3 真空室密封結構的設計

真空室門、上蓋、觀察窗口側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計矩形凹槽，用來安裝O型密封圈，擰緊連接螺釘，擠壓密封圈，實現真空室與其的密封。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，填補螺紋間的縫隙，達到良好密封。

鋁基復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。

鋁基復合基板制備過程中，上壓機構、頂出基板機構、推料機構、都需要傳動軸上下左右移動，傳動軸與真空室之間需要動密封連接。其密封結構如圖2～圖4所示。

圖1 電源引入處密封結構圖Fig.1 The seal structure of power intake

圖2 上壓機構動密封結構圖Fig.2 The dynamic seal structure of press substrate mechanism

圖3 頂出基板機構動密封結構圖Fig.3 The dynamic seal structure of push-out substrate mechanism

圖4 推料機構動密封結構圖Fig.4 The dynamic seal structure of pushing material mechanism

4 真空室整體結構設計

真空室的強度和穩定性是鋁基復合基板制備過程中保證壓樣能順利進行的基礎。根據制備基板工藝的需求，所設計的真空室總體結構如圖5所示。

圖5 真空室結構圖Fig.5 The structure of vacuum chamber

為了滿足鋁基復合基板制備的需要，真空系統主要設計指標為：（1）真空室工作時，真空抽氣機組能夠保證室內氣壓穩定在1×10-3Pa；（2）真空測量系統的測量范圍為1×10-5～1×105Pa；（3）真空系統抽氣時間小于1 h；（4）真空系統工作時，真空室幾何結構穩定。

為達到鋁基復合基板在真空室內壓樣運行穩定符合系統設計要求，通過選泵的相關計算，選擇K-400型擴散泵為主泵，2X-30型旋片式機械泵為前級泵組合的真空機組對真空室進行真空抽氣，抽氣過程中真空室必須保證內應力和變形量在允許的范圍內，真空室所受的有重力和大氣壓力，整個真空室是固定在四柱液壓機的工作平面上，自重豎直向下，作用在工作臺上，對其變形和內應力影響較小，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力分布和變形分布云圖。

圖6 真空室等效應力分布云圖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

真空室整體結構的最大應力出現在真空室觀察窗側固定門頂角處，對應的最大應力為96.56 MPa，滿足304不銹鋼的屈服極限強度要求，真空室強度滿足要求；真空室最大變形出現在真空室的門結構處，最大變形量為0.572 mm，遠小于真空室的壁厚，因此真空室剛性變形符合要求。

5 結論

圍繞用真空熱電擠壓方法制備鋁基復合基板所需的真空系統中真空室的結構設計，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，設計了其關鍵部位的靜、動態密封結構，最后根據基板制備的工藝要求設計完成了其真空室的整體結構，并采用有限元分析軟件ANSYS分析了真空室的最大應力和應變，結果表明，真空室的強度剛性符合設計要求，克服了在非真空環境下制備基板的氧化腐蝕等問題，為鋁基復合基板的真空熱電擠壓制備創造了一個穩定的真空環境。

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