TWI917112B

TWI917112B - 擴散接合工件的方法

Info

Publication number: TWI917112B
Application number: TW113148421A
Authority: TW
Inventors: 吳毓珣; 李名言; 管琪芸; 陳怡君
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Filing date: 2024-12-12
Publication date: 2026-03-01

Abstract

本發明提供一種擴散接合工件的方法，其係包含放置待接合工件於熱壓設備中，其中待接合工件包含上下疊合的兩個待接物；以及對待接合工件進行熱壓操作，其中熱壓操作包含第一階段熱壓步驟及第二階段熱壓步驟。各階段的熱壓步驟係以不同壓塊對待接合工件進行接合，藉以達到提升工件的接合強度及接合率的效果。

Description

擴散接合工件的方法

本發明是關於一種擴散接合工件的方法，特別是關於一種利用多階段熱壓之擴散接合工件的方法。

擴散接合是一種固態接合技術，其一般是在真空環境中施加高溫和高壓，以使兩待接合工件(例如金屬工件)的接觸面距離縮短至原子間距，以使原子間相互嵌入而擴散接合，藉以接合金屬及陶瓷等材料。相較於傳統的接合技術，擴散接合可提供更堅固的接合面並減少工件的變形。舉例而言，真空擴散焊接係在特定的溫度和壓力下，使兩個物體或多個物體的接觸表面發生塑性變形，並在保溫/保壓或保溫/加壓一段時間後，使待焊表面的原子互相擴散，而實現表面的冶金結合。

擴散接合技術的優勢係不需使用焊劑，且接合面無應力效應，且物料強度跟耐腐蝕性能都跟原材料無異。擴散接合技術的應用領域包含模具鑲件、熱交換器、汽車零部件、航空零部件、醫療設備及植入器具和貴金屬手飾等。工件是否成功接合的關鍵在於溫度和壓力的條件。

熱壓技術(hot pressing)是一種利用高溫和高壓來壓製材料的製程，其通常應用於高密度及高性能的材料，例如陶瓷、金屬和複合材料的製造。熱壓機是習知可做擴散接合製程的加壓設備，其壓力上限取決於液壓系統的設計和結構強度，常見熱壓機的施力上限為250噸。以高純度銅板進行接合為例，其擴散接合的接合溫度係不低於420°C，接合應力係大於10 MPa，且接合強度須大於或等於60 MPa(或背板破斷)。補充說明的是，接合應力係將熱壓機施加的力除以待接合工件的接觸面積；而接合強度指的是兩材料在接合介面上的黏接強度，即衡量接合介面在應力作用下抵抗分斷或斷裂的能力。所謂成功接合一般係要求接合率超過99%。補充說明的是，接合率係以成功接合面積占整體待接合面積的比率來計算，而成功接合的標準可藉由介面的超音波掃描(ultrasonic testing，UT)來判定。然而，習知的擴散接合技術仍存在許多不便和缺點，故製程仍難以穩定地實現上述條件。

中國專利公開號CN 113727801A提出利用沖頭將壓力施加在接合工件，其中沖頭為平板熱壓機的設備設計，其往往設計成特定狀以適應不同的加工需求，故可實現將壓力施加在接合工件上，但無法彈性地調整接合面積及接合功力。在設備沖頭與待接合工件之間，可利用壓塊確保在施加壓力時待接合工件不被移動，習知技術通常使用具有單一尺寸的壓塊，以在最佳溫度和壓力條件下進行接合。然而，當接合大尺寸工件時，由於接合範圍大且接觸面積大，熱壓機會受施力上限的限制，故往往無法滿足接合應力的需求。

此外，熱壓機的加熱棒位置會限制加熱的均勻性，而導致局部區域無法達到所需的接合溫度或全工件間存在溫度差，而導致接合品質的降低。再者，若工件接合介面不平整、介面存在氧化層或汙染物，都可能導致局部應力不足，進而降低接合率且增加接合失敗的風險。這些問題都導致許多工件在接合過程中失敗，無法補救而報廢，故造成材料和生產成本的浪費。

有鑑於此，亟須提供一種擴散接合方法，以提升接合品質及減少接合失敗的風險。

本發明之一態樣是提供一種擴散接合工件的方法，其係對待接合工件進行包含多階段熱壓步驟的熱壓操作，藉以提升工件的接合品質。

根據本發明之一態樣，提供一種擴散接合工件的方法，其係包含放置待接合工件於熱壓設備中，其中待接合工件包含上下疊合的兩個待接物；以及對待接合工件進行熱壓操作，其中熱壓操作包含第一階段熱壓步驟及第二階段熱壓步驟。第一階段熱壓步驟包含放置第一壓塊在待接合工件上，其中第一壓塊與待接合工件之表面的接觸面積為第一面積，其中第一面積為待接合工件之表面的面積的20%至100%。第二階段熱壓步驟包含放置第二壓塊在待接合工件上，其中第二壓塊與待接合工件之表面的接觸面積為第二面積，且基於第一面積為100%，第一面積與第二面積的重疊面積為1%至60%。

根據本發明之一實施例，上述熱壓操作更包含至少一次第三階段熱壓步驟，其係包含放置第三壓塊在待接合工件上，其中第三壓塊與待接合工件之表面的接觸面積為第三面積，且基於第一面積為100%，第一面積與第三面積的重疊面積為1%至60%。

根據本發明之一實施例，上述第一階段熱壓步驟包含施加第一壓力，第二階段熱壓步驟包含施加第二壓力，且第一壓力與第二壓力為相同或不同。

根據本發明之一實施例，上述第一階段熱壓步驟包含施加第一壓力，第二階段熱壓步驟包含施加第二壓力，第三階段熱壓步驟包含施加第三壓力，且第一壓力、第二壓力及第三壓力為相同或不同。

根據本發明之一實施例，上述第二面積小於或等於第一面積。

根據本發明之一實施例，上述第三面積小於或等於第一面積。

根據本發明之一實施例，上述熱壓操作係在100°C至1000°C的溫度下進行。

根據本發明之一實施例，上述第一階段熱壓步驟及該第二階段熱壓步驟係進行1分鐘至8小時。

根據本發明之一實施例，上述第一壓塊與第二壓塊為圓盤、圓環、四邊體或多邊體。

根據本發明之一實施例，上述待接合工件係選自於由陶瓷、金屬及複合材料所組成的群組。

應用本發明之擴散接合工件的方法，對待接合工件進行包含多階段熱壓步驟的熱壓操作，各階段的熱壓步驟係以不同壓塊對待接合工件進行接合，且不同壓塊與待合工件的接觸面積具有特定的重疊範圍，藉以達到提升工件的接合強度及接合率的效果。

以下揭露提供許多不同實施例或例示，以實施發明的不同特徵。以下敘述之組件和配置方式的特定例示是為了簡化本揭露。這些當然僅是做為例示，其目的不在構成限制。舉例而言，第一特徵形成在第二特徵之上或上方的描述包含第一特徵和第二特徵有直接接觸的實施例，也包含有其他特徵形成在第一特徵和第二特徵之間，以致第一特徵和第二特徵沒有直接接觸的實施例。除此之外，本揭露在各種具體例中重覆元件符號及/或字母。此重覆的目的是為了使說明簡化且清晰，並不表示各種討論的實施例及/或配置之間有關係。

再者，空間相對性用語，例如「下方(beneath)」、「在…之下(below)」、「低於(lower)」、「在…之上(above)」、「高於(upper)」等，是為了易於描述圖式中所繪示的零件或特徵和其他零件或特徵的關係。空間相對性用語除了圖式中所描繪的方向外，還包含元件在使用或操作時的不同方向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或在其他方向)，而本揭露所用的空間相對性描述也可以如此解讀。

如本發明所使用的「大約(around)」、「約(about)」、「近乎 (approximately)」或「實質上(substantially)」一般係代表在所述之數值或範圍的百分之20以內、或百分之10以內、或百分之5以內。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

承上所述，本發明提供一種擴散接合工件的方法，其係對待接合工件進行包含多階段熱壓步驟的熱壓操作，各階段的熱壓步驟係以不同壓塊對待接合工件進行接合，且不同壓塊與待合工件的接觸面積具有特定的重疊範圍。藉此，可達到提升工件的接合強度及接合率的效果。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一些實施例之實施擴散接合工件之製程裝置100的示意圖。本發明之擴散接合工件的方法包含先將待接合工件120放置於熱壓設備110中。在一些實施例中，待接合工件120包含上下疊合的待接物122及待接物125。具體而言，此方法係要將待接物122與待接物125進行擴散接合。在一些實施例中，待接合工件120可為陶瓷、金屬或複合材料。在一些實施例中，待接合工件120係放置在下壓塊130上。

接著，對待接合工件120進行熱壓操作。熱壓操作包含多階段的熱壓步驟，其階段數可根據應用需求而調整，本發明不限制所執行的熱壓步驟階段數。熱壓步驟包含放置上壓塊140在待接合工件120上。圖1所示的上壓塊140僅是做為例示，本發明不限於此。事實上，上壓塊140可具有不同的形狀及接觸面積。在一些實施例中，上壓塊140可為圓盤、圓環或多邊體，其中多邊體可例如為四邊體。請參閱圖2A至圖2D，其係繪示各種不同上壓塊140設置在待接合工件120上的示意圖。一般而言，特別是針對大尺寸(例如大於1000 cm²)的待接合工件時，須至少使用一次圓環狀壓塊，以對待接合工件的周圍進行加壓接合，以增加待接合工件之周圍區域的接合強度。

在一些實施例中，熱壓操作包含第一階段熱壓步驟及第二階段熱壓步驟。在此實施例中，第一階段熱壓步驟係放置第一壓塊在待接合工件120上，且第二階段熱壓步驟係放置第二壓塊在待接合工件120上。

第一壓塊與待接合工件120之表面120A的接觸面積為第一面積，第二壓塊與待接合工件120之表面120A的接觸面積為第二面積。在一些實施例中，第一面積為待接合工件120之待接合面125A之面積的約20%至約100%，較佳為約50%至約100%。若第一面積小於待接合面125A之面積的約20%，即第一壓塊與待接合工件120的接觸面積太小，則可能導致壓塊施加在待接合工件120上的壓力不均，而影響擴散效果，進而使得接合界面間的原子間鍵結力不足，故可能增加接合缺陷，即導致接合效率降低。此外，第一壓塊與待接合工件120的接觸面積太小還可能造成整個待接合工件120的局部壓力不均，無法有效形成穩定的擴散接合層，則接合強度不穩定。若接合部位的強度不符合預期，可能使待接合工件120在後續受到機械應力時，容易發生分層、開裂或變形等問題。一般而言，熱壓操作使用的壓塊與待接合工件120之表面120A的接觸面積皆不大於待接合工件120之表面120A的面積。

第二階段熱壓步驟與第一階段熱壓步驟的熱壓範圍須至少部分重疊，有助於提升工件的接合品質(即接合強度及接合率)。在一些實施例中，基於第一面積為100%，第一面積與第二面積的重疊面積為約1%至約60%，較佳為約20%至約55%，更佳為約30%至約50%。若第一面積與第二面積的重疊面積小於1%，則兩階段的熱壓範圍幾乎未重複作用於相同區域，則接合過程無法有效達到累積加壓的效果；反之，若第一面積與第二面積的重疊面積大於60%，則無法有效提升分段加壓的效果，且增加壓塊設計的製作成本。應理解的是，第一面積實質上等於第一壓塊的接觸面面積，而第二面積實質上等於第二壓塊的接觸面面積。在一些實施例中，第二面積小於或等於第一面積，故第二壓塊的接觸面面積小於或等於第一壓塊的接觸面面積。

在一些實施例中，第一階段熱壓步驟包含施加第一壓力，第二階段熱壓步驟包含施加第二壓力，第一壓力與第二壓力可為相同或不同。一般而言，熱壓機可施加相同的力進行熱壓，則第一壓力與第二壓力分別為此施力除以第一面積與第二面積，故第一壓力與第二壓力即為接合應力。因此，若第二面積小於第一面積，則第二壓力大於第一壓力。應理解的是，上述施力的大小一般係受設備限制，因此，若欲增加熱壓操作的壓力，則可藉由減小壓塊與待接合工件120的接觸面積來達成，故本發明利用多階段熱壓步驟以增加調整壓塊大小及形狀的彈性，藉以提升待接合工件120各區域的接合強度。

在一些實施例中，熱壓操作可選擇性地進行第三階段熱壓步驟。第三階段熱壓步驟係放置第三壓塊在待接合工件120上，且第三壓塊與待接合工件120之表面120A的接觸面積為第三面積。相似地，在一些實施例中，基於第一面積為100%，第一面積與第三面積的重疊面積為約1%至約60%，較佳為約20%至約55%，更佳為約30%至約50%。在一些實施例中，第三面積小於或等於第一面積。在一些實施例中，第三階段熱壓步驟包含施加第三壓力，第二壓力與第三壓力可為相同或不同。若待接合工件120的待接合面125A(即待接物122及待接物125之間的介面)不平整時，較佳為進行至少一次第三階段熱壓步驟，以針對介面不平整的區域增加工件的接合強度，進而提高接合率。

在一些實施例中，上述熱壓操作的各階段熱壓步驟(例如第一階段熱壓步驟、第二階段熱壓步驟及第三階段熱壓步驟)係在約100°C至約1000°C的溫度下進行接合，其係取決於待接合工件120的材料。在一些實施例中，前述溫度須藉由逐步升溫、保溫及降溫的方式控制，以避免工件材料因溫度的急劇變化而導致損壞或性能下降。

在一些實施例中，上述熱壓操作的各階段熱壓步驟(例如第一階段熱壓步驟、第二階段熱壓步驟及第三階段熱壓步驟)係進行接合約1分鐘至約8小時，其係取決於待接合工件120的材料。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

實施例一

實施例一的待接合工件的待接合面之面積為1500 cm²，且待接合面的介面平整度良好。實施例一對待接合工件進行兩階段熱壓步驟，其中熱壓步驟皆在425°C的溫度下進行接合，且熱壓機施力皆設定為250噸。第一階段熱壓步驟係利用面積為800 cm²的環狀壓塊(如圖2B所示)對待接合工件的周圍區域進行加壓。第二階段熱壓步驟係利用面積為800 cm²的圓形壓塊(如圖2C所示)對待接合工件的中央區域進行加壓。第一階段熱壓步驟與第二階段熱壓步驟的壓塊對待接合工件加壓的重疊面積為100 cm²(即第一面積的12.5%)。進行完擴散接合的待接合工件利用拉伸強度的量測判定工件的接合強度，並利用超音波掃描判定工件的接合率，其結果如下表一所示。

實施例二

實施例二的待接合工件的待接合面之面積為1000 cm²，且待接合面的介面有局部不平整。實施例二對待接合工件進行兩階段熱壓步驟，其中熱壓步驟皆在425°C的溫度下進行接合，且第一階段的熱壓機施力設定為250噸，第二階段熱壓機施力設定為200噸。第一階段熱壓步驟係利用面積為1000 cm²且形狀與待接合工件相同的壓塊對待接合工件進行全面積加壓。第二階段熱壓步驟係利用面積為300 cm²的圓形壓塊(如圖2C所示)對待接合工件的局部不平整處進行加壓。第一階段熱壓步驟與第二階段熱壓步驟的壓塊對待接合工件加壓的重疊面積為300 cm²(即第一面積的30%)。進行完擴散接合的待接合工件利用拉伸強度的量測判定工件的接合強度，並利用超音波掃描判定工件的接合率，其結果如下表一所示。

實施例三

實施例三的待接合工件的待接合面之面積為1500 cm²，且待接合面的介面不平整。實施例三對待接合工件進行三階段熱壓步驟，其中熱壓步驟皆在425°C的溫度下進行接合，且第一階段及第二階段的熱壓機施力皆設定為250噸，而第三階段的熱壓機施力設定為200噸。第一階段熱壓步驟係利用面積為1500 cm²且形狀與待接合工件相同的壓塊對待接合工件進行全面積加壓。第二階段熱壓步驟係利用面積為800 cm²的環狀壓塊(如圖2D所示)對待接合工件的局部進行加壓。第三階段熱壓步驟係利用面積為300 cm²的圓形壓塊(如圖2C所示)對待接合工件的局部進行補強加壓。第一階段熱壓步驟與第二階段熱壓步驟的壓塊對待接合工件加壓的重疊面積為800 cm²(即第一面積的53.3%)，而第二階段熱壓步驟與第三階段熱壓步驟的壓塊對待接合工件加壓的重疊面積為300 cm²(即第一面積的20%)。進行完擴散接合的待接合工件利用拉伸強度的量測判定工件的接合強度，並利用超音波掃描判定工件的接合率，其結果如下表一所示。

比較例一

比較例一的待接合工件的待接合面之面積為1500 cm²，且待接合面的介面平整度良好。比較例一對待接合工件進行單次熱壓步驟，其中熱壓步驟皆在425°C的溫度下進行接合，且熱壓機施力皆設定為250噸。熱壓步驟利用面積為1500 cm²且形狀與待接合工件相同的壓塊對待接合工件進行全面積加壓。進行完擴散接合的待接合工件利用拉伸強度的量測判定工件的接合強度，並利用超音波掃描判定工件的接合率，其結果如下表一所示。

比較例二

比較例二的待接合工件的待接合面之面積為1000 cm²，且待接合面的介面局部不平整。比較例一對待接合工件進行單次熱壓步驟，其中熱壓步驟皆在425°C的溫度下進行接合，且熱壓機施力皆設定為250噸。熱壓步驟利用面積為1000 cm²且形狀與待接合工件相同的壓塊對待接合工件進行全面積加壓。進行完擴散接合的待接合工件利用拉伸強度的量測判定工件的接合強度，並利用超音波掃描判定工件的接合率，其結果如下表一所示。

表一

根據表一，使用多階段熱壓接合的實施例一至實施例三的工件皆具有60 MPa以上的接合強度及99%以上的接合率，故皆可判定為接合成功。

相對地，比較例一的待接合工件尺寸較大，故僅使用單次的熱壓接合，整個接合面未能均勻受力，故壓塊邊緣接觸處的周圍部位接合應力不足10 MPa。再者，工件尺寸較大還可能出現局部溫度不均的情況，導致此區域的接合強度較低，即不同位置的接合強度差異大，導致整體接合率僅76%，未達預期的接合標準，故接合失敗。

比較例二則是對接合面介面不平整的工件進行單次的熱壓接合，故局部無法完全接合，不平整處及工件外圍的接合強度僅48 MPa，局部強度不足，故接合率僅82%，即接合失敗。

根據上述實施例，本發明提供一種擴散接合工件的方法，其係對待接合工件進行包含多階段熱壓步驟的熱壓操作，各階段的熱壓步驟係以不同壓塊對待接合工件進行接合，以對具有不同尺寸或平整度的待接合工件提供不同的熱壓條件，且不同壓塊與待合工件的接觸面積具有特定的重疊範圍。藉此，可達到提升工件的接合強度及接合率的效果。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:製程裝置 110:熱壓設備 120:待接合工件 122,125:待接物 130:下壓塊 140:上壓塊 120A:表面 125A:待接合面

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。圖1係繪示根據本發明一些實施例之實施擴散接合之製程裝置的示意圖。圖2A至圖2D係繪示各種不同上壓塊設置在待接合工件上的示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:製程裝置

110:熱壓設備

120:待接合工件

122,125:待接物

130:下壓塊

140:上壓塊

120A:表面

125A:待接合面

Claims

一種擴散接合工件的方法，包含：放置一待接合工件於一熱壓設備中，其中該待接合工件包含上下疊合的兩待接物；以及對該待接合工件進行一熱壓操作，其中該熱壓操作包含：一第一階段熱壓步驟，包含放置一第一壓塊在該待接合工件上，其中該第一壓塊與該待接合工件之一表面的接觸面積為一第一面積，其中該第一面積為該待接合工件之該兩待接物的一待接合面的面積的20%至100%；以及一第二階段熱壓步驟，包含放置一第二壓塊在該待接合工件上，其中該第二壓塊與該待接合工件之該表面的接觸面積為一第二面積，且基於該第一面積為100%，該第一面積與該第二面積的一重疊面積為1%至60%。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該熱壓操作更包含：至少一第三階段熱壓步驟，包含放置一第三壓塊在該待接合工件上，其中該第三壓塊與該待接合工件之該表面的接觸面積為一第三面積，且基於該第一面積為100%，該第一面積與該第三面積的一重疊面積為1%至60%。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該第一階段熱壓步驟包含施加一第一壓力，該第二階段熱壓步驟包含施加一第二壓力，且該第一壓力與該第二壓力為相同或不同。
如請求項2所述之擴散接合工件的方法，其中該第一階段熱壓步驟包含施加一第一壓力，該第二階段熱壓步驟包含施加一第二壓力，該至少一第三階段熱壓步驟包含施加一第三壓力，且該第一壓力、該第二壓力及該第三壓力為相同或不同。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該第二面積小於或等於該第一面積。
如請求項2所述之擴散接合工件的方法，其中該第三面積小於或等於該第一面積。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該熱壓操作係在100°C至1000°C的一溫度下進行。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該第一階段熱壓步驟係進行1分鐘至8小時，且該第二階段熱壓步驟係進行1分鐘至8小時。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該第一壓塊與該第二壓塊為圓盤、圓環或多邊體。
如請求項1所述之擴散接合工件的方法，其中該待接合工件係選自於由陶瓷、金屬及複合材料所組成的一群組。