一种蓝宝石的扩散焊连接方法

本发明涉及蓝宝石制造技术领域，尤其涉及一种蓝宝石的扩散焊连接方法。

背景技术：

蓝宝石主要由α-al2o3构成，具有高硬度、高熔沸点、高耐磨性等优点。同时由于其透光性好，透射光散射率低，已被广泛应用在医疗器械、航空航天、军事工业等领域，比如用于制作航空器材观察窗口等。

目前，人工蓝宝石有提拉法、泡生法、热交换法等。其中最主流的提拉法，在现有技术条件下晶坯生长直径极限仅350mm左右。切片加工后晶片产品直径最大不超过300mm。远不足以满足上述领域对蓝宝石晶片的尺寸需求。为解决这一问题，需要提出一种可以将多块蓝宝石晶片连接起来的方法。

现有的连接蓝宝石晶片的方法有三大类：粘接法、扩散焊接法、钎焊法。浆液粘接法并没有实现晶片之间原子层面的结合，因而可靠性差，满足不了高端场合的应用需求。扩散焊接法需要施加非常高的温度和压力，不适于批量制作，且现有的扩散焊接方法因为两侧待焊接材料之间存在的缝隙难以消除，导致焊缝处的接触和扩散速度很慢，扩散需要很长时间，而且界面融合比例较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蓝宝石的扩散焊连接方法。本发明提供的连接方法能够实现蓝宝石原子层面的结合，提高接头力学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种蓝宝石的扩散焊连接方法，包括以下步骤：

将待连接的蓝宝石母材进行表面抛光处理，得到预处理蓝宝石；

将有机液体和低熔点玻璃粉末混合，得到浆料液；所述低熔点玻璃粉末的熔点不高于500℃；

将所述浆料液喷涂在所述预处理蓝宝石的待焊面，然后将喷涂有浆料液的待焊面相接放置，用夹具固定并施压；所述夹具的热膨胀系数小于蓝宝石母材的热膨胀系数；

对所述夹具和预处理蓝宝石加热使所述预处理蓝宝石的晶片界面融合，然后进行冷却。

优选地，所述低熔点玻璃粉末的熔点为350～480℃。

优选地，所述低熔点玻璃粉末的平均颗粒直径为0.25～10μm。

优选地，所述夹具为耐高温材质，所述夹具的热膨胀系数在500～2000℃下为4×10^-6～7×10^-6/k。

优选地，所述夹具的材质为钨或钼。

优选地，对所述夹具和预处理蓝宝石加热的温度为700～2000℃。

优选地，由室温升温至所述加热的温度的升温速率为1～20℃/min。

优选地，所述保温的时间为1～8h。

优选地，所述夹具包括底板和设置于所述底板两侧的侧板，所述侧板设置有紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔内部设置有螺栓，所述固定为拧紧所述螺栓进行固定。

优选地，所述冷却包括：依次进行第一冷却、第一冷却保温、第二冷却以及第三冷却，所述第一冷却的终点温度为1000～2000℃，所述第一冷却的降温速率为50～200℃/min，所述第一冷却保温的时间为3～10min；所述第二冷却的终点温度为200～300℃，所述第二冷却的降温速率为15～100℃/min；所述第三冷却为自然冷却至室温。

本发明提供了一种蓝宝石的扩散焊连接方法，包括以下步骤：将待连接的蓝宝石母材进行表面抛光处理，得到预处理蓝宝石；将有机液体和低熔点玻璃粉末混合，得到浆料液；所述低熔点玻璃粉末的熔点不高于500℃；将所述浆料液喷涂在所述预处理蓝宝石的待焊面，然后将喷涂有浆料液的待焊面相接放置，用夹具固定并施压；所述夹具的热膨胀系数小于蓝宝石母材的热膨胀系数；对所述夹具和预处理蓝宝石加热使所述预处理蓝宝石的晶片界面融合，然后进行冷却。

有益效果：

本发明提供的扩散焊接蓝宝石的方法，利用低熔点玻璃粉末(低熔点玻璃焊料)的自膨胀加压瞬间液相扩散，克服了现有粘结法不能实现晶片之间原子层面的结合且可靠性差、钎焊法接头强度低的不足，依靠两蓝宝石晶片紧密接触，原子互相扩散从而实现两蓝宝石晶片的相互连接；以低熔点玻璃粉末作为过渡相，利用低熔点玻璃粉末优良的流动性和润湿性促进待焊蓝宝石之间的接触和相互扩散，同时利用夹具与蓝宝石之间的热膨胀系数差异实现蓝宝石接头的加压。连接过程中焊缝中的低熔点玻璃粉末被挤出焊缝，使蓝宝石之间形成直接接触和扩散连接。焊缝中残留的少量低熔点玻璃粉末也能够因为扩散进入蓝宝石基体而消失，从而得到由蓝宝石组成的接头。应用本连接方法制成的焊接接头成分即为蓝宝石，均匀化好、透明度高。

本发明的连接方法不需要施加高压，操作简单，且由于热膨胀产生的压力很大，可达数十到数百兆帕，有利于实现焊接面的紧密结合；同时低熔点玻璃粉末具有高流动性，有利于降低对扩散焊过程中压力的要求。

附图说明

图1为蓝宝石连接方法使用的装置的正视示意图；

图2为夹具的结构示意图；

图1～2中，1为紧固螺栓孔；2为浆料液；3为待连接的蓝宝石母材；4为夹具；

图3为实施例1连接的蓝宝石、蓝宝石母材以及陶瓷粉末连接的蓝宝石接头处的透光率曲线；

图4为实施例1中蓝宝石接头处的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种蓝宝石的扩散焊连接方法，包括以下步骤：

将待连接的蓝宝石母材进行表面抛光处理，得到预处理蓝宝石；

将有机液体和低熔点玻璃粉末混合，得到浆料液；所述低熔点玻璃粉末的熔点不高于500℃；

将所述浆料液喷涂在所述预处理蓝宝石的待焊面，然后将喷涂有浆料液的待焊面相接放置，用夹具固定并施压；所述夹具的热膨胀系数小于蓝宝石母材的热膨胀系数；

对所述夹具和预处理蓝宝石加热使所述预处理蓝宝石的晶片界面融合，然后进行冷却。

本发明将待连接的蓝宝石母材进行表面抛光处理，得到预处理蓝宝石。

本发明对所述蓝宝石母材的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可。本发明优选将所述蓝宝石母材裁切后进行表面抛光处理。本发明对所述表面抛光处理的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

在本发明中，所述预处理蓝宝石的表面粗糙度优选ra<1.000nm。

本发明将有机液体和低熔点玻璃粉末混合，得到浆料液；所述低熔点玻璃粉末的熔点不高于500℃。

在本发明中，所述低熔点玻璃粉末的熔点优选为350～480℃，更优选为380～420℃。本发明对所述低熔点玻璃粉末的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述低熔点玻璃粉末优选为sno-p2o5-zno组成的混合物，所述p2o5的含量优选为30～60wt％，所述zno的含量优选为20～30wt％，余量的为sno，更优选为贵州佰博新材料科技有限公司的bybs02或bybs06。

在本发明中，所述低熔点玻璃粉末的平均颗粒直径优选为0.25～10μm，更优选为3～7μm。

在本发明中，所述有机液体优选包括乙醇、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、甲醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、乙醚、环氧丙烷、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、苯酚、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯乙二醇醚、三乙醇胺和硅油中的一种或多种。

在本发明中，所述浆料液中低熔点玻璃粉末的重量百分比优选为60％～97％，更优选为80％。

本发明对所述混合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可，具体的如机械搅拌。

得到预处理蓝宝石和浆料液后，本发明将所述浆料液喷涂在所述预处理蓝宝石的待焊面，然后将喷涂有浆料液的待焊面相接放置，用夹具固定并施压；所述夹具的热膨胀系数小于蓝宝石母材的热膨胀系数。

在本发明中，所述蓝宝石母材在500～2000℃下的热膨胀系数为7×10^-6～9×10^-6/k，所述夹具在500～2000℃下的热膨胀系数优选为4×10^-6～7×10^-6/k，所述蓝宝石母材和夹具的热膨胀系数均随温度升高而上升，但所述夹具的热膨胀系数始终小于所述蓝宝石母材的热膨胀系数。在本发明中的具体实施例中，选钨作为夹具材料，钨熔点为3422℃，蓝宝石在室温到1000℃的热膨胀系数为6.5×10^-6/k，在1000～2000℃的热膨胀系数为8.5×10^-6/k，金属钨在室温到1000℃的热膨胀系数为4.5×10^-6/k，在1000～2000℃的热膨胀系数为6.5×10^-6/k，在加热的过程中，蓝宝石和钨制夹具都会发生膨胀，但是蓝宝石的膨胀趋势更大，从而形成了钨夹具对蓝宝石的进一步挤压。

在本发明中，所述夹具优选为耐高温材质，更优选为钨或钼。

在本发明中，所述夹具优选擦洗后再使用，本发明对所述擦洗的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可，所述擦洗能够避免夹具表面具有硬质质点。

在本发明中，所述夹具优选包括底板和设置于所述底板两侧的侧板，所述侧板设置于底板上方，与底板垂直，一侧侧板上优选设置有2个对称设置的紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔优选为圆形，所述紧固螺栓孔内部设置有螺栓，通过拧紧螺栓进行固定。

图1为本发明蓝宝石连接方法使用的装置的正视示意图，图2是本发明中夹具的结构示意图；图1～2中，1为紧固螺栓孔；2为浆料液；3为待连接的蓝宝石母材；4为夹具，浆料液喷涂在待连接的蓝宝石母材的待焊面，然后然后待焊面相对放置，用夹具固定并施压，夹具的侧板上设置有2个对称设置的紧固螺栓孔。

在本发明中，所述浆料液在待焊面的喷涂厚度优选为10～100μm，更优选为40～80μm。本发明优选在一个所述预处理蓝宝石的待焊面喷涂浆料液。

所述喷涂完成后，本发明优选进行挤压，本发明对所述挤压的具体压力没有特殊的限定，能够保证所述浆料液在待焊面的喷涂厚度优选为10～100μm、多余的浆料液被挤压出焊缝即可。

在本发明中，所述固定优选为拧紧所述螺栓对所述预处理蓝宝石进行固定，所述螺栓优选拧紧后回退1/4～1/2圈，这样能够避免挤碎蓝宝石或是加热过程中蓝宝石内应力过大造成崩裂。

本发明对所述夹具和预处理蓝宝石加热使所述预处理蓝宝石的晶片界面融合，然后依次进行保温和冷却。

在本发明中，对所述夹具和预处理蓝宝石加热的温度优选为700～2000℃，更优选为1500～1700℃，所述加热的过程中，所述低熔点玻璃粉末在高温下的优良流动性和润湿性促进待焊蓝宝石之间的接触和相互扩散，融合过程中焊缝中的低熔点玻璃粉末被挤出焊缝，蓝宝石之间形成直接接触和扩散连接，焊缝中残留的少量低熔点玻璃粉末也能够因为扩散进入蓝宝石基体而消失，从而得到由蓝宝石组成的接头，同时利用夹具与蓝宝石母材之间的热膨胀系数差异实现了蓝宝石接头的加压，由于热膨胀产生的压力很大，达数十到数百兆帕，有利于实现焊接面的紧密结合，同时低熔点玻璃粉末在高温下处于具有高流动性的液态状态，也有利于降低对扩散焊过程中压力的要求。

在本发明中，由室温升温至所述加热的温度的升温速率优选为1～20℃/min。

本发明对达到所述融合的时间没有特殊的限定，能够实现完全融合即可。

在本发明中，所述保温的时间优选为1～8h，更优选为2～3h。

在本发明中，所述冷却优选包括：依次进行第一冷却、第一冷却保温、第二冷却以及第三冷却，所述第一冷却的终点温度优选为1000～2000℃，所述第一冷却的降温速率优选为50～200℃/min，所述第一冷却保温的时间优选为3～10min；所述第二冷却的终点温度优选为200～300℃，所述第二冷却的降温速率优选为15～100℃/min；所述第三冷却优选为自然冷却至室温。在本发明中，所述冷却的过程是为了防止降温过快造成蓝宝石碎裂。本发明优选使用逐级降低加热器目标温度的方法进行所述冷却。

在本发明中，所述冷却优选在空气、惰性气体或真空条件下进行，所述真空或惰性气体条件可以防止夹具在空气中高温加热产生氧化损伤。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的蓝宝石的扩散焊连接方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

在本发明的实施例中，透光率测试参照“jb/t9495.3-1999光学晶体透过率测量方法”进行测试，测量波长范围为200～800nm；力学性能测试依据“gbt6569-2006-精细陶瓷弯曲强度试验方法”进行。

实施例1

一种蓝宝石的连接方法，包括以下步骤：

步骤一：裁切蓝宝石晶片，进行表面处理至表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度ra为0.5nm。

步骤二：选钨作为夹具材料，将夹具擦洗干净。

步骤三：混合低熔点玻璃粉末浆料。以重量比为20％乙醇和80％低熔点玻璃粉末(平均颗粒直径为10μm，是由sno-p2o5-zno组成的混合物，p2o5的含量为30wt％，zno的含量为20wt％，其余为sno，熔点为500℃，其购自贵州佰博新材料科技有限公司，型号为bybs02)的比例，混合制成低熔点玻璃粉末浆料液。

步骤四：将低熔点玻璃粉末浆料液涂覆于预处理蓝宝石待焊表面，并将两个蓝宝石待焊表面对置，对待焊蓝宝石施加50n的压力，将多余的浆料液挤出夹缝，并将挤出的浆料液清除，保持焊缝内的浆料液厚度为100μm。

步骤五：夹装蓝宝石并施压。调节夹具左侧开口螺栓对蓝宝石进行充分固定，螺栓拧紧后需回退1/4圈。

步骤六：设置好真空炉加热器目标温度，在真空炉中对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度为1700℃。

步骤七：待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合之后，继续保温1小时，然后以50℃/min降到1000℃后保温10分钟，再次以100℃/min的速率降温到200℃后关闭加热器，最后在室温中冷却。

对比例1

使用陶瓷粉末烧结连接蓝宝石

步骤一：裁切蓝宝石晶片，进行表面处理至表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度ra为0.5nm。

步骤三：混合陶瓷末浆料。以重量比为25％乙醇和75％陶瓷粉末(平均颗粒直径为8μm，是由al2o3-mgo-sio2组成的混合物，al2o3含量为94wt％，mgo的含量为0.8wt％，其余为sio2，材料均为市售99.9％纯陶瓷粉末)的比例，混合制成陶瓷粉末浆料液。

步骤四：将陶瓷粉末浆料液涂覆于预处理蓝宝石待焊表面，并将两个蓝宝石待焊表面对置，对待焊蓝宝石施加50n的压力，将多余的浆料液挤出夹缝，并将挤出的浆料液清除，保持焊缝内的浆料液厚度为70μm。

步骤五：夹装蓝宝石并施压。将待焊蓝宝石放置于带有加压装置的真空炉中，并加压100n。

步骤六：关闭真空炉炉门，并对真空炉抽真空，直到其内部气压降低到0.01pa。

步骤七：设置好真空炉目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度为1700℃。

步骤八：达到设置目标后，继续保温1小时，然后以50℃/min降到1000℃后保温10分钟，再次以100℃/min的速率降温到200℃后关闭加热器。

步骤九：向真空室内通入空气，使真空炉内的气压达到大气压力。

步骤十：打开真空炉门，令蓝宝石接头冷却至室温。

图3为实施例1连接的蓝宝石、蓝宝石母材以及陶瓷粉末连接的蓝宝石接头处的透光率曲线，实施例1连接的蓝宝石的透光率达到蓝宝石本身的95％，高于陶瓷粉末连接的蓝宝石的57％(陶瓷粉末连接的蓝宝石的透光率达到蓝宝石本身的57％)，由图3可知，使用本发明的连接方法得到的蓝宝石接头处的透光率与蓝宝石的透光率相当，高于使用陶瓷粉末连接的蓝宝石接头处的透光率。

图4为实施例1中蓝宝石接头处的扫描电镜图，由图4可知，使用本发明的连接方法，低熔点玻璃粉末被挤出，形成的两侧融合焊缝的成分和结构就是蓝宝石，与蓝宝石具有相同的结构。

实施例1制得的蓝宝石接头处的抗弯强度为290mpa，对比例1制得的蓝宝石接头处的抗弯强度为180mpa，蓝宝石本身的抗弯强度为406mpa。

实施例2

一种蓝宝石的连接方法，包括以下步骤：

步骤一：裁切蓝宝石晶片，进行表面处理至表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度ra为0.8nm。

步骤二：选钼作为夹具材料，将夹具擦洗干净。

步骤三：混合低熔点玻璃粉末浆料。以重量比为40％乙醇和60％低熔点玻璃粉末(平均颗粒直径为0.25μm，熔点为350℃，其购自贵州佰博新材料科技有限公司，型号为bybs03)的比例，混合制成低熔点玻璃粉末浆料液。

步骤四：将低熔点玻璃粉末浆料液涂覆于预处理蓝宝石待焊表面，并将两个蓝宝石待焊表面对置，对待焊蓝宝石施加50n的压力，将多余的浆料液挤出夹缝，并将挤出的浆料液清除，保持焊缝内的浆料液厚度为10μm。

步骤五：夹装蓝宝石并施压。调节夹具左侧开口螺栓对蓝宝石进行充分固定，螺栓拧紧后需回退1/2圈。

步骤六：设置好加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度为1500℃。

步骤七：待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合之后，继续保温3小时，然后以200℃/min降到1200℃后保温3分钟，再次以15℃/min的速率降温到300℃后关闭加热器，最后在室温中冷却。

对比例2

步骤一：裁切蓝宝石晶片，进行表面处理至表面抛光处理后的蓝宝石表面粗糙度ra为0.5nm。

步骤二：选钨作为夹具材料，将夹具擦洗干净。

步骤三：混合钎焊合金浆料。以重量比为20％乙醇和80％钎焊合金粉末(平均颗粒直径为5μm，是由sn-ag-cu-ti组成的混合物，ag的含量为3.5wt％，cu的含量为0.5wt％，ti的含量为0.2wt％，其余为sn，原料均为市售99.9％纯粉末)的比例，混合制成钎焊合金粉末浆料液。

步骤四：将钎料合金粉末浆料液涂覆于预处理蓝宝石待焊表面，并将两个蓝宝石待焊表面对置，对待焊蓝宝石施加60n的压力，将多余的浆料液挤出夹缝，并将挤出的浆料液清除，保持焊缝内的浆料液厚度为80μm。

步骤五：夹装蓝宝石并施压。将待焊蓝宝石放置于带有加压装置的真空炉中，并加压5n。

步骤六：关闭真空炉炉门，并对真空炉抽真空，直到其内部气压降低到0.001pa。

步骤七：设置好真空炉加热器目标温度，对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度为800℃。

步骤八：达到设置目标后，继续保温5分钟，然后以20℃/min降到400℃后保温10分钟，再次以30℃/min的速率降温到200℃后关闭加热器。

步骤九：向真空室内通入空气，使真空炉内的气压达到大气压力。

步骤十：打开真空炉门，令蓝宝石接头冷却至室温。

实施例2制得的蓝宝石接头处的抗弯强度为276mpa，对比例2制得的蓝宝石接头处的抗弯强度为85mpa，蓝宝石本身的抗弯强度为397mpa。

对比例2由于焊缝由不透明的钎焊合金填充，因此蓝宝石接头的透光率为零。

实施例3

步骤一～五同实施例1；

步骤六：设置好真空炉加热器目标温度，在真空炉中对夹具及蓝宝石晶片加热。设置目标温度为500℃。

步骤七：待两片蓝宝石晶片界面处发生相互融合之后，继续保温8小时，然后以50℃/min降到1000℃后保温10分钟，再次以100℃/min的速率降温到200℃后关闭加热器，最后在室温中冷却。

实施例3连接的蓝宝石的透光率达到蓝宝石本身的92％，实施例3制得的蓝宝石接头处的抗弯强度为298mpa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。