專利名稱：利用難熔釬焊組裝碳部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用基于碳化硅的釬焊接頭通過難熔釬焊(refractory brazing)連 接碳部件的方法，由此獲得的復(fù)合部件在微電子領(lǐng)域和太陽能光伏領(lǐng)域尤其有用。
背景技術(shù)：
碳材料被廣泛用于很多工業(yè)部門。但是，復(fù)雜形狀的部件通常不容易制作。為了 克服這個困難，通常優(yōu)選制造具有簡單結(jié)構(gòu)的基本元件，然后連接基本元件形成所希望的 復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前，釬焊是一種普遍用于制造組合件的技術(shù)。石墨釬焊(graphite brazing)已經(jīng)被很多作品所描述，通常用于研究石墨與各種 金屬的連接情況[1-2]，以及石墨與石墨的連接情況[3]。但是，目前可行的釬焊接頭都包 括金屬元素，所以不適于要求使用極純硅的環(huán)境，例如微電子環(huán)境和太陽能光伏環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是提供一種滿足這一純度要求的新型釬焊技術(shù)。特別是，本發(fā)明提供一種用于釬焊碳部件的技術(shù)，所述碳部件在所形成的釬焊接 頭的純度方面特別有利。更特別的是，本發(fā)明提供一種用于碳部件的基于使用硅作為釬焊材料的釬焊技 術(shù)。本發(fā)明特別提供一種除了碳和硅外無需其他元素的連接方法，因此尤其適合形成 專用于微電子領(lǐng)域和太陽能光伏領(lǐng)域的部件。特別是，本發(fā)明利用了當(dāng)液體硅與碳材料接觸時，通過反應(yīng)在其界面形成一層碳 化硅[4]這一發(fā)現(xiàn)。這種反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行，直至形成厚度通常介于ΙΟμπι 20μπι之間 的層，所述層的生長受到碳在其厚度中的擴散的限制。已知硅在碳基質(zhì)中的滲透深度主要 取決于所述基質(zhì)的孔隙率及兩種材料接觸的溫度。對于例如為擠壓成形石墨的材料，深度 通?？蛇_(dá)到厘米級，但對于細(xì)粒石墨而言，深度為不到一毫米。關(guān)于玻璃碳，未觀察到顯著 滲透，碳化硅層僅形成于界面。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種釬焊技術(shù)，可準(zhǔn)確控制液體硅在待連接的碳部件 中的滲透。更準(zhǔn)確而言，本發(fā)明涉及一種用于連接至少兩個具有低于ΙΟμπι的顆粒尺寸的碳 部件的方法，該方法至少包括下述步驟a)定位安置待連接的碳部件和硅元件，所述硅元件特別的為硅條的形式，所述元 件被插入到所述部件之間；和b)使結(jié)合的組合件保持在壓力作用下，并且在惰性氣氛中在高于1410°C的溫度 下進(jìn)行加熱以熔化硅，并在所述部件的界面形成含有至少一個碳化硅橋的接頭。在優(yōu)選實施方式中，在步驟b)之后得到的組合件可以通過后續(xù)的步驟C)被置于 溫度高于步驟b)的溫度下，以消耗所有熔融硅，從而在所述碳部件的界面的整個表面上形成碳化硅接頭。因此，本發(fā)明方法包括僅實施步驟a)、b)的第一實施方式以及至少實施三個步驟 a)、b)和c)的第二實施方式。因此，根據(jù)釬焊的通常條件(特別是關(guān)于熱循環(huán)和/或應(yīng)力行為的規(guī)范)，本發(fā)明 能夠有利的采用第一實施方式，其中組合件的機械強度是通過孤立的SiC橋獲得的，或者 采用第二實施方式，其中延長的高溫退火使硅完全轉(zhuǎn)變?yōu)镾ic。在步驟b)之后得到的接頭中較佳的含有多個碳化硅橋，所述多個碳化硅橋可以 不連續(xù)地分布在界面的表面上。在步驟c)之后獲得的碳化硅接頭較佳的為連續(xù)的。根據(jù)第一實施方式，利用本發(fā)明方法在兩個碳部件之間制備的釬焊接頭由含有至 少一個也稱為SiC接頭的碳化硅橋的復(fù)合區(qū)域構(gòu)成。在本發(fā)明的上下文中，復(fù)合區(qū)域是指，由至少兩相(石墨和碳化硅)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)， 并且還可能含有(未反應(yīng)的)硅。在本發(fā)明的上下文中，SiC接頭是指，在待連接的兩部件之間的物理途徑。這樣的 接頭可以較佳的具有例如為至少為ι μ m的直徑和30 μ m的長度。這樣的接頭如圖2所示。在這一可替代方案中，并不是全部初始的硅都被消耗掉。剩余的硅通?；旧戏?布在釬焊接頭的兩端，如果需要，可以利用通常已知的技術(shù)將其從兩端除去。根據(jù)在本發(fā)明方法中包括強制執(zhí)行步驟C)的第二實施方式，釬焊接頭由在兩個 部件的界面上的包含碳化硅接頭的復(fù)合區(qū)域所構(gòu)成，該復(fù)合區(qū)域在所述界面的整個長度上 延伸。在所述第二實施方式中釬焊接頭較佳的包括少于5%的剩余固體硅，并且，更特別的， 無剩余固體硅。在待連接的碳部件具有開孔多孔結(jié)構(gòu)的情況下，存在于釬焊接頭中的SiC 接頭在側(cè)面上被復(fù)合區(qū)域所包圍。在接頭和復(fù)合區(qū)域，所有熔化的硅都被轉(zhuǎn)變成SiC，石墨 的孔隙中沒有剩余任何未反應(yīng)的硅。有利的，使用硅作為釬焊材料能夠制作復(fù)雜形狀的部件，該碳部件一方面純度令 人滿意，所以適合最苛刻的環(huán)境。根據(jù)上述第二實施方式形成的釬焊接頭由于完全沒有硅，所以被證明適合在高于 硅熔點的溫度下使用，甚至高達(dá)2000°C。硅元件作為起始材料，除了待連接的碳部件外，本方法還至少使用一個硅元件。從上文可以看出，當(dāng)所述硅元件被加熱至高于硅熔點的溫度時，所述硅元件被轉(zhuǎn) 變?yōu)槿刍墓?。通過與相鄰的碳表面相互作用，熔化的硅在待連接的兩個部件之間形成一 個或多個SiC橋，或者甚至在所述界面的整個長度上形成SiC接頭，并且，如果碳材料為多 孔材料，則在兩個部件的界面上形成復(fù)合區(qū)域。在第一種可替代方案中，根據(jù)本發(fā)明的實施方式不包括步驟C)，也就是說，并非所 有的熔化的硅都被消耗掉。在第二種可替代方案中，所有的熔化的硅被完全消耗掉。較佳的，這種硅元件的尺寸，特別是其面積被調(diào)整為待連接的兩個碳部件的表面 的面積。優(yōu)選地，所述硅元件為硅板或硅條。其厚度可以在50μπι和800μπι之間，尤其優(yōu) 選在300 μ m和500 μ m之間。
以硅元件表示的硅的數(shù)量必須根據(jù)所希望的釬焊接頭的類型、待連接的碳部件的 類型進(jìn)行調(diào)整，尤其是根據(jù)碳部件各自的孔隙率程度和為進(jìn)行步驟b)或甚至步驟C)(如果 考慮進(jìn)行步驟c))而選擇的溫度進(jìn)行調(diào)整。實際上，依待連接的兩個碳部件的孔隙率而定，步驟b)中進(jìn)行的反應(yīng)也可以導(dǎo)致 在所述部件的界面的兩側(cè)的熔融碳的深度滲透，從而形成復(fù)合區(qū)域，其厚度大于利用無開 孔的碳部件(例如玻璃碳)而獲得的厚度。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過常識能夠根據(jù)所希望的釬焊接頭的類型而調(diào)整硅數(shù)量。例如，硅條的厚度可以調(diào)整為在300μπι 500μπι的范圍，使得在步驟b)的熔化 狀態(tài)下，于0. 2 !Bbar的壓力下，熔化的硅在待連接的兩個部件的界面形成具有10 μ m 40μπκ尤其是20μπι 30μπι的厚度的液態(tài)接頭(liquid joint)，該接頭具有分布在 Ιμπι 5μπι范圍內(nèi)的微粒尺寸，并具有0 40%的開孔孔隙率。碳部件更特別的是，在本發(fā)明的上下文中，基于碳材料的層指的是基本上由碳原子組成 的材料。更準(zhǔn)確而言，在本發(fā)明的上下文中，碳材料是一種相對于其總重量的碳原子的重 量含量高于95%、特別是高于99%的材料。更特別地，所述材料為石墨。本發(fā)明方法對于具有1 10 μ m、優(yōu)選1 5 μ m的微粒尺寸的碳材料最有利。該方法也適用于例如玻璃碳的材料。在這種情況下，復(fù)合區(qū)域的厚度實際上為零， 并且所有的過程僅發(fā)生在兩個部件之間的界面處。碳材料的孔隙率以體積計可以介于0% (玻璃碳的情況下) 40%的范圍。該孔隙率可以通過壓汞法來表征。如果待連接的表面具有平面(planeity)和/或粗糙的缺陷，這些缺陷必須小于期 望的接頭厚度。否則，必須研磨表面。如上所述，依所選石墨的級別而定，可以形成接頭和可選的形成復(fù)合區(qū)域，該復(fù)合 區(qū)域根據(jù)熔融硅向孔隙中的滲透率(滲透0 Imm)而具有可變尺寸。本方法適合具有寬尺寸范圍的部件的釬焊，部件的尺寸級別通常介于Imm Im的 范圍。本發(fā)明還涉及通過上述方法連接的部件。通過閱讀下面描述的用于說明而非限定的內(nèi)容，并參照附圖，本發(fā)明的其他特征 和優(yōu)點將變得更清楚，應(yīng)當(dāng)注意，由于清晰的原因，在附圖中，具有可見結(jié)構(gòu)的材料的各層 不是按比例表示的，某些部件的尺寸被大幅度擴大了。


圖1是待連接的兩個部件的示意圖，兩個部件之間插有硅條。圖2是已經(jīng)經(jīng)過步驟b)的加熱條件的圖1中的組合件的示意圖。圖3是已經(jīng)經(jīng)過步驟C)的條件的圖2中的組合件的示意圖。
具體實施例方式步驟b)在步驟b)中，可以在被控制的惰性氣體環(huán)境中，于1410°C (硅的熔點) 1600°C的 溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選于1450°C 1550°C的溫度范圍內(nèi)對待釬焊的碳部件和硅部件進(jìn)行加熱?？梢詫⑦@一熱處理進(jìn)行10分鐘至1小時，優(yōu)選進(jìn)行20 40分鐘?？梢愿鶕?jù)是否進(jìn)行后續(xù)的步驟c)來優(yōu)化具體的加熱溫度和加熱時間。因此，在本發(fā)明方法不進(jìn)行步驟C)的情況下，溫度可以較佳的被調(diào)整到介于 1450°C 1550°C的范圍內(nèi)并持續(xù)10分鐘，或者甚至持續(xù)20 40分鐘。另一方面，在本發(fā)明方法有必要包括步驟C)的情況下，步驟b)中進(jìn)行的熱處理的 溫度可以在1410°C 1500°C的范圍內(nèi)變化，特別是在1430°C 1500°C的范圍內(nèi)變化，并持 續(xù)10分鐘至1小時，或者甚至持續(xù)10分鐘 40分鐘。關(guān)于被采用的壓力，優(yōu)選調(diào)整壓力使得位于待連接的兩部件之間的熔融硅的液流 厚度等于所希望的待形成的碳化硅接頭的厚度。這一壓力也可以導(dǎo)致在界面兩端并在接頭外部形成液態(tài)Si突出部分(見圖2)。在步驟b)中平行發(fā)生以下幾個過程在待連接的部件的粗糙度即部件之間的距離最小的位置通過反應(yīng)形成碳化硅橋； 以及在部件具有多孔石墨結(jié)構(gòu)的情況下，熔融硅滲透，直至界面處的孔被反應(yīng)和碳化 硅的形成所關(guān)閉，并由此中斷了滲透區(qū)的供給。在這一滲透過程結(jié)束時獲得最大滲透深度 (見圖2)，并且未反應(yīng)的硅存在于孔隙中，這一區(qū)域是復(fù)合區(qū)域。綜上所述，在步驟b)之后，界面上局部形成SiC橋，在兩個部件的碳基質(zhì)中獲得最 大滲透深度，并且在壓力的作用下，于界面末端的部件的側(cè)壁上形成液態(tài)突出部分。為了控制過剩的液體體積以及防止硅浸濕石墨部件外部，可以如釬焊過程中通常 所做的那樣，在接頭的兩側(cè)設(shè)置膨脹外殼。步驟C)步驟c)可以在步驟b)后進(jìn)行，其類似于第二退火，該第二退火被設(shè)計來通過SiC 橋的增加和/或已形成的橋的增厚來在界面處形成接頭。這一第二退火可以在1500°C 1750°C、優(yōu)選1600 V 1700 V的溫度范圍內(nèi)獲得。存在于側(cè)面突出部分中的硅接下來利用毛細(xì)作用被輸送至未反應(yīng)區(qū)域。同時，觀 察到滲透區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)成型。如圖3所示，當(dāng)接頭形成并且所有硅被耗盡時，步驟c)結(jié)束。第二退火的退火時間可以介于在3 8小時的范圍之間，優(yōu)選3 6小時。為了確保在步驟b)后使在部件側(cè)壁上的形成突出部分的硅(其中如果有膨脹外 殼，形成突出部分的硅被回收到膨脹外殼中)完全返回到接頭的仍未反應(yīng)區(qū)域，可以在待 釬焊的部件中蝕刻表面通道以傳輸硅。由于這些通道本身因Si+C — SiC反應(yīng)可能被堵塞，所以，優(yōu)選這些通道的直徑略 微大于接頭的厚度。在這些通道為被機械加工過的材料的情況下，通道的表面粗糙度可以 滿足輸送硅的要求?，F(xiàn)在通過下面的實施例說明本發(fā)明，顯然該實施例用于說明，而非限制本發(fā)明。
起始材料待連接的部件為Carbone Lorraine 2020石墨部件，具有以體積計為15%的孔隙 率，并且微粒尺寸為5 μ m。硅板為IOX 10cm2，其厚度為500 μ m。實施例1 利用2. 5bar的壓力使其間插有硅條的兩個碳部件保持結(jié)合。將組合件在惰性氣 體氛圍(氬氣)中加熱至1500°C，保持30分鐘。停止加熱后，將組合件以5°C/min的速度 冷卻至900°C，然后自然冷卻至環(huán)境溫度。由此獲得的釬焊接頭由含有碳化硅橋的復(fù)合區(qū)域構(gòu)成。實施例2 利用2. 5bar的壓力使其間插有硅條的兩個碳部件保持結(jié)合。將組合件在惰性氣 體氛圍(氬氣)中加熱至1460°C，保持10分鐘，然后加熱至1600°C，保持5小時。停止加 熱后，接下來將組合件以5°C /min的速度冷卻至900°C，然后自然冷卻至環(huán)境溫度。與實施例1中獲得的釬焊接頭相反，這個釬焊接頭無硅。滲透區(qū)域的深度為400 600微米，并且所形成的SiC接頭的厚度為10 20微米。引用的文獻(xiàn)[ 1 ] L. Yinquan, Z. Zhengde , D. Chaoquan and S. Yusheng, Materials Characterization 44(2000)425[2] US 6,877,651，[3] US 3,946,932，[4]A. Favre,H. Fuzellier and J. Supti 1,Ceramics International 29(2003)23權(quán)利要求
1.一種用于連接至少兩個碳部件的方法，該碳部件的顆粒尺寸小于10 μ m，所述方法 至少包括下述步驟a)定位待連接的所述碳部件和硅元件，所述硅元件尤其是硅條形式的硅元件，所述元 件被插入到所述部件之間；b)使結(jié)合的組合件保持在壓力作用下，并在惰性氣氛中，于高于1410°C的溫度下加熱 所述組合件，以熔化硅并在所述部件的界面處形成含有至少一個碳化硅橋的接頭；以及c)將在步驟b)之后獲得的所述組合件置于高于步驟b)的所述溫度的溫度下，以消耗 所有熔化的硅，并在所述碳部件的界面的整個表面上形成碳化硅接頭。
2.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟c)之后獲得的釬焊接頭完全沒 有剩余的固體硅。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述碳部件的開孔孔隙率以體積百 分比計為0 40%。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述碳材料的顆粒尺寸為Iym 5 μ m0
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，在兩個被連接的部件的界面形成的 接頭的厚度在10 μ m 40 μ m之間，特別是在20 μ m 30 μ m之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的方法，其中，步驟b)包括在惰性氣氛中，于 1410°C 1600°C的溫度范圍、特別是1450°C 1550°C的溫度范圍進(jìn)行加熱，特別是加熱10 分鐘 1小時，或者甚至加熱20 40分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項所述的方法，其中，步驟b)是在1410°C 1500°C之 間的溫度下、特別是1430°C 1500°C之間的溫度下進(jìn)行，特別是進(jìn)行10分鐘 1小時、 或者甚至10分鐘 40分鐘；并且，步驟c)是在1500°C 1750°C之間的溫度下、特別是 1600°C 1700°C之間的溫度下進(jìn)行，特別是進(jìn)行3 8小時、或者甚至3 6小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中所述的方法獲得的連接的部件，所述部件通過所述部件的界 面的整個表面上的碳化硅接頭連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用基于碳化硅的釬焊接頭組裝碳部件的方法。本發(fā)明還涉及利用這種方法組裝的部件。
文檔編號B23K35/30GK102143926SQ200980134950
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者丹尼斯·卡梅爾, 尼古拉斯·于斯塔澤普羅斯, 拉納·伊斯雷爾, 簡-保羅·加朗代, 貝亞特麗斯·德勒韋 申請人:原子能與替代能源委員會, 國立格勒諾布爾綜合理工學(xué)院