33激光封焊系統(tǒng)

【技術(shù)開發(fā)單位】中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所

【技術(shù)概述】本產(chǎn)品技術(shù)來源于原總裝備部2012年的軍用電子元器件型譜系列科研項(xiàng)目。近年來，隨著電子工業(yè)及航空、航天工業(yè)的迅速發(fā)展，不僅要求電子器件體積小、質(zhì)量輕，而且要求器件有很高的氣密性，能夠耐受各種惡劣使用環(huán)境下的強(qiáng)沖擊振動(dòng)和輻照條件，有較高的穩(wěn)定性和較長的壽命。因此，為了保證電子器件和組件的長期可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行氣密性封裝。激光封焊系統(tǒng)主要用于電子組件的金屬外殼氣密性封裝，具有熱影響區(qū)小、熱變形小、加工速度快等優(yōu)點(diǎn)。激光封焊系統(tǒng)是用激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接的設(shè)備?；贑NC技術(shù)的激光封焊系統(tǒng)通過視覺定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)位焊接功能，突破了激光聚焦與觀察光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、四軸精密工作臺(tái)、手套箱氣體高純凈化技術(shù)、高反射率高熱導(dǎo)性金屬的密封焊接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提高了電子組件的可靠性，適應(yīng)航空航天器電子組件封裝要求，提高了現(xiàn)代電子武器性能，大量應(yīng)用于我國微組裝產(chǎn)品生產(chǎn)線上，經(jīng)用戶工藝驗(yàn)證，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性、可靠性高，系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，保護(hù)功能完善。該項(xiàng)目設(shè)備的研制對(duì)于提高我國國防水平、增強(qiáng)軍用電子核心元器件的核心競爭力、掌握軍用電子元器件關(guān)鍵技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)有著非常重要的意義。

【技術(shù)指標(biāo)】激光封焊系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。1)激光器類型：YAG固體激光器；2)激光器平均功率：≥500 W；3)最大激光脈沖能量：≥60 J；4)脈沖寬度：0.3～50 ms；5)激光重復(fù)頻率：0.2～800 Hz；6)焊接光斑直徑：≤0.6 mm；7)工作臺(tái)XYZ軸運(yùn)動(dòng)范圍：400 mm×300 mm×300 mm；8)工作臺(tái)XYZ軸重復(fù)定位精度：±5 μm；9)工作臺(tái)XYZ軸定位精度：±10 μm；10)手套箱水汽含量：≤1 ppm；11)手套箱氧含量：≤1 ppm；12)真空烘箱極限氣壓：≤5 Pa；13)真空烘箱溫度：50～200 ℃。

【技術(shù)特點(diǎn)】激光封焊系統(tǒng)通過在惰性氣氛下的激光焊接實(shí)現(xiàn)組件密封，使雜質(zhì)不能進(jìn)入電路，焊接的同時(shí)還在封裝內(nèi)裝入高質(zhì)量的惰性氣體，封裝結(jié)實(shí)，有高度可靠的密封和高良率。

1)通過CNC控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)完成電子組件外殼的激光封焊?？刂葡到y(tǒng)功能特點(diǎn)：點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，包含定距點(diǎn)動(dòng)、速度控制運(yùn)動(dòng)；凸輪輪廓曲線、樣條曲線；計(jì)算機(jī)CAD圖形導(dǎo)入成代碼與代碼導(dǎo)出CAD圖形；4軸及以上的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；位置同步輸出；速度、位移曲線；信息記錄查詢；快速位置捕捉；前瞻；軌跡預(yù)觀察；工具補(bǔ)償；角度正交修正、位移正交修正；3D平面選擇及平面誤差修正；CNC功能；工具微調(diào)；實(shí)時(shí)示教等。

2)工件產(chǎn)品在氣氛手套箱的預(yù)置氣氛內(nèi)完成激光封焊功能。氣氛手套箱提供焊接所需的高純惰性氣體氣氛要求，手套箱內(nèi)氣體經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生氣體流動(dòng)，通過凈化器去除水、氧分子，水、氧含量最低可達(dá)1 ppm。

3)通過高效微?？諝膺^濾器可以去除焊接過程中產(chǎn)生的煙塵。

4)待焊組件烘干：通過真空烘箱實(shí)現(xiàn)工件產(chǎn)品按設(shè)置的溫度烘干。

5)適合大多數(shù)金屬材料外殼的封焊，如不銹鋼、可伐合金和鋁合金等，也可異質(zhì)材料之間的焊接。

6)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊焊和密封焊等。

7)焊接自動(dòng)化程度高，具有多工件陣列自動(dòng)焊接、側(cè)面一次性自動(dòng)焊接和自動(dòng)壓蓋等智能化功能，軟件界面友好，焊接工藝流程簡單。非接觸式的加工方法，能夠達(dá)到潔凈、環(huán)保的要求。

【先進(jìn)程度】國內(nèi)領(lǐng)先

【技術(shù)狀態(tài)】批量生產(chǎn)、成熟應(yīng)用階段

【適用范圍】除了在軍用電子微組裝領(lǐng)域的應(yīng)用外，激光封焊系統(tǒng)還可以用于民用的動(dòng)力電池、超級(jí)電容、植入性醫(yī)療器械(如心臟起搏器)和塑料焊接等生產(chǎn)領(lǐng)域。動(dòng)力電池是新能源汽車的核心零部件，直接決定整車性能，電動(dòng)汽車未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力電池的安全性、成本及儲(chǔ)能容量。在動(dòng)力電池的生產(chǎn)過程中，激光焊接是一個(gè)將正負(fù)極材料、隔膜和電解液等原材料化零為整的融合制造過程，是整個(gè)動(dòng)力電池生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工藝。激光焊接主要應(yīng)用于動(dòng)力電池的方形及圓柱電芯以及模組的生產(chǎn)。將所有原材料焊接成電池電芯、PACK模組后，可直接用于傳統(tǒng)消費(fèi)電子、電子工具、電動(dòng)自行車、儲(chǔ)能電站及新能源汽車領(lǐng)域。動(dòng)力電池電芯的焊接部位主要包括外殼密封焊接、密封釘(也叫注液孔)焊接、防爆閥焊接和電池軟連接焊接等。模組的焊接主要是用于連接電芯的匯流片的焊接。激光焊接優(yōu)勢在于焊材損耗小、被焊接工件變形小、設(shè)備性能穩(wěn)定易操作，焊接質(zhì)量及自動(dòng)化程度高，其工藝上的優(yōu)勢是其他焊接方式無法比擬的。

【獲獎(jiǎng)情況】獲得2016年湖南省國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

【專利狀態(tài)】共申請(qǐng)專利12項(xiàng)，包括9項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)實(shí)用新型專利和1項(xiàng)外觀專利。其中發(fā)明專利已授權(quán)4項(xiàng)、實(shí)用新型專利和外觀專利均已授權(quán)。

【合作方式】合作開發(fā)技術(shù)服務(wù)。

1)投資需求。尋求投資開發(fā)新產(chǎn)品，以進(jìn)入動(dòng)力電池電芯及模組焊接市場，研發(fā)適用于動(dòng)力電池電芯以及模組生產(chǎn)的智能自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)。其中，動(dòng)力電池電芯自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)的研發(fā)資金需求為500萬元，研發(fā)周期為5個(gè)月；動(dòng)力電池模組自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)的研發(fā)資金需求為600萬元，研發(fā)周期為6個(gè)月。

2)合作研發(fā)。與動(dòng)力電池電芯或者模組生產(chǎn)廠商及控股股東展開合作，共同開展動(dòng)力電池電芯以及模組生產(chǎn)的智能自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)研發(fā)。

3)技術(shù)服務(wù)。為電子元器件、動(dòng)力電池以及醫(yī)療器械生產(chǎn)廠商提供各類激光焊接系統(tǒng)定制開發(fā)；為相關(guān)廠商提供小批量產(chǎn)品激光焊接代工服務(wù)。

【預(yù)期效益】

電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保、使用成本低、加速快、噪聲小在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣應(yīng)用，市場前景非常廣闊。我國已經(jīng)將電動(dòng)汽車列為國家重點(diǎn)扶持的主要領(lǐng)域，按國家“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國的電動(dòng)汽車保有量將達(dá)500萬輛，年產(chǎn)量將達(dá)到200萬輛，到2020年的未來4年，將是中國電動(dòng)汽車飛速發(fā)展的關(guān)鍵幾年。而作為電動(dòng)汽車核心部件的動(dòng)力電池市場近幾年也得到了爆發(fā)式的增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年和2016年動(dòng)力電池新增投資分別為800和1 000億元左右。而2017年截至2月底，計(jì)劃新增的動(dòng)力電池投資就達(dá)200億元，預(yù)計(jì)2017年全年也將達(dá)到千億元左右。從動(dòng)力電池歷年出貨量看，2015年開始動(dòng)力電池跟隨新能源汽車產(chǎn)銷量崛起，從2014年的僅3.7 GWh的出貨量躍居至2015年15.7 GWh，同比增長超過3倍。2016年有產(chǎn)量的新能源汽車搭載電池總量達(dá)28 GWh，與2015年同期相比增長79%，超過2015年全年動(dòng)力電池出貨量近12 GWh。

動(dòng)力電池市場的爆發(fā)性增長也帶動(dòng)了相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的飛速發(fā)展。據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)調(diào)研顯示，中國2016年動(dòng)力電池生產(chǎn)設(shè)備需求超過145億元，國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)值占比80%以上，產(chǎn)值同比增長將超過20%，預(yù)計(jì)今后幾年中國動(dòng)力電池生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)銷發(fā)展勢頭仍將保持高速增長。動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備提出高精度、高速度、高穩(wěn)定性和無人化、信息化、可視化的要求，已經(jīng)成為了動(dòng)力電池設(shè)備行業(yè)的發(fā)展共識(shí)。

【聯(lián)系方式】

聯(lián)系人：鄧斌

電 話：0731-85401280/13517316734

34高熱導(dǎo)率、耐高溫、高壓新興材料—碳化硅(SiC)單晶片

【技術(shù)開發(fā)單位】北京世紀(jì)金光半導(dǎo)體有限公司

【技術(shù)概述】在碳化硅單晶生長領(lǐng)域，結(jié)合設(shè)計(jì)平臺(tái)中的電磁耦合仿真設(shè)計(jì)軟件模擬設(shè)計(jì)熱場，采用物理氣相傳輸法(PVT)生長碳化硅(SiC)單晶，通過實(shí)際生長進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。同時(shí)建立低位錯(cuò)生長模型，結(jié)合理論模擬和生長實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)晶體生長的工藝參數(shù)，研制具有極低位錯(cuò)密度的單晶。

在碳化硅(SiC)單晶加工領(lǐng)域，采用多線切割技術(shù)對(duì)碳化硅(SiC)晶體進(jìn)行切片，使用物理研磨技術(shù)進(jìn)行研磨、拋光，使用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)和濕法化學(xué)清洗法清洗獲得碳化硅(SiC)單晶襯底。

【技術(shù)指標(biāo)】

產(chǎn)品1：3 in N型導(dǎo)電碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑75 mm±0.25 mm晶片厚度350 μm±50 μm/500 μm±50 μm晶片電阻率0.015～0.028 Ω·cmTTV≤10 μmBOW≤10 μmWARP≤25 μm90%有效面積微管≤1個(gè)/cm24H晶型100%表面粗糙度(10 μm×10 μm)≤0.3 nmXRD(004)搖擺曲線半高寬≤45 arcsec主參考邊長度22.0 mm±3.17 mm副參考邊長度11.0 mm±1.52 mm表面取向向<11-20>偏4.0°±0.5°主參考面取向<11-20>±0.5°副參考面取向主參考面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°±5°

產(chǎn)品2：3 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑75 mm±0.5 mm晶片厚度500 μm±50 μm晶片電阻率≥1×107 Ω·cmTTV≤10 μmBOW≤10 μmWARP≤25 μm90%有效面積微管≤1個(gè)/cm24H晶型100%表面粗糙度(10 μm×10 μm)≤0.3 nmXRD(004)搖擺曲線半高寬≤60 arcsec主參考邊長度22.0 mm±3.17 mm表面取向{0001} ± 0.25°主參考面取向<11-20>±5.0°

產(chǎn)品3：4 in N型導(dǎo)電碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑100 mm±0.25 mm晶片厚度350 μm±50 μm /500 μm±50 μm晶片電阻率0.015～0.028 Ω·cmTTV≤10 μmBOW≤15 μmWARP≤25 μm90%有效面積微管≤1個(gè)/cm24H晶型100%表面粗糙度(10 μm×10 μm)≤0.3 nmXRD(004)搖擺曲線半高寬≤45 arcsec主參考邊長度32.5 mm±2.0 mm副參考邊長度18.0 mm±2.0 mm表面取向向<11-20>偏4.0°±0.5°主參考面取向<11-20>±0.5°副參考面取向主參考面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°±5°

產(chǎn)品4：4 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑100 mm±0.5 mm晶片厚度500 μm±50 μm晶片電阻率≥1×107 Ω·cmTTV≤10 μmBOW≤10 μmWARP≤25 μm90%有效面積微管≤1個(gè)/cm24H晶型100%表面粗糙度(10 μm×10 μm)≤0.3 nmXRD(004)搖擺曲線半高寬≤60 arcsec主參考邊長度32.5 mm±2.0 mm表面取向{0001} ± 0.25°主參考面取向<11-20>±5.0°

產(chǎn)品5：6 in N型導(dǎo)電碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑150 mm±0.25 mm晶片厚度350 μm±50 μm/500 μm±50 μm晶片電阻率0.015～0.028 Ω·cmTTV≤15 μmBOW≤20 μmWARP≤25 μm90%有效面積微管≤1個(gè)/cm24H晶型100%表面粗糙度(10 μm×10 μm)≤0.3 nmXRD(004)搖擺曲線半高寬≤45 arcsec主參考邊長度47.5 mm±1.5 mm副參考邊長度26.5 mm±1.5 mm表面取向向<11-20>偏4.0°±0.5°主參考面取向<11-20>±0.5°副參考面取向主參考面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°±5°

產(chǎn)品6：6 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數(shù)名稱技術(shù)指標(biāo)晶片直徑晶片厚度晶片電阻率TTVBOWWARP90%有效面積微管4H晶型表面粗糙度(10 μm×10 μm)XRD(004)搖擺曲線半高寬主參考邊長度表面取向主參考面取向150 mm±0.5 mm500 μm±50 μm≥1×107 Ω·cm≤15 μm≤20 μm≤25 μm≤1個(gè)/cm2100%≤0.3 nm≤60 arcsec47.5 mm±1.5 mm{0001} ± 0.25°<11-20>±5.0°

【技術(shù)特點(diǎn)】碳化硅(SiC)功能材料采用國內(nèi)外通用的物理氣相傳輸(PVT)法生長，關(guān)鍵技術(shù)包括生長溫度和溫度梯度的控制技術(shù)、原材料純化技術(shù)和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)等。

【先進(jìn)程度】國內(nèi)領(lǐng)先

【技術(shù)狀態(tài)】批量生產(chǎn)、成熟應(yīng)用階段

【適用范圍】碳化硅(SiC)功能材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強(qiáng)大、熱導(dǎo)率高和飽和漂移速度高等特點(diǎn)，在高溫、高壓、高頻、大功率、光電、抗輻射、微波性等電子應(yīng)用領(lǐng)域和航空航天、艦艇、飛機(jī)等極端環(huán)境應(yīng)用有著不可替代的優(yōu)勢。碳化硅(SiC)單晶片在通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，能讓電視發(fā)射器提供更清晰的信號(hào)和圖像。碳化硅(SiC)功能材料制備的電力電子器件在變頻家電、電源服務(wù)器、混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車、充電樁以及太陽能發(fā)電等民用領(lǐng)域也頗受關(guān)注，可以有效地實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化。

【專利狀態(tài)】發(fā)明專利7個(gè)，實(shí)用新型專利2個(gè)

【合作方式】合作開發(fā)技術(shù)服務(wù)。

1)合作開發(fā)。與新能源汽車、充電樁和分布式能源等行業(yè)廠商，共同開發(fā)搭載我司自主研發(fā)生產(chǎn)的碳化硅(SiC)單晶片制作而成的碳化硅(SiC)功率器件的應(yīng)用方案，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效化、小型化、輕量化，達(dá)到效率提升、減積減重、延長使用壽命的功能，支持產(chǎn)業(yè)合作伙伴的創(chuàng)新，產(chǎn)品更具競爭力。

2)技術(shù)服務(wù)。與新能源汽車、充電樁、分布式能源行業(yè)典型客戶建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室以及應(yīng)用中心，雙方保持長期技術(shù)溝通與產(chǎn)品未來發(fā)展方向的交流，提供我司自主研發(fā)生產(chǎn)的碳化硅(SiC)單晶片制作而成的碳化硅(SiC)功率器件的技術(shù)支持，配合終端產(chǎn)品的新方案研發(fā)與老產(chǎn)品改造升級(jí)，共同開發(fā)應(yīng)用方案并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

【預(yù)期效益】

碳化硅(SiC)單晶片主要用于新型電力電子和高頻率器件及LED固態(tài)照明。碳化硅(SiC)功能材料制備電力電子器件在新能源行業(yè)被大量應(yīng)用，碳化硅肖特基二極管(SiC SBD)可用于充電樁中的電源模塊功率因數(shù)校正部分，能夠提高效率；碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(SiC MOSFET)可用于新能源汽車充放電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器中，提高頻率后可將設(shè)備體積減小1/3以上；碳化硅功率模塊(SiC Power Module)被應(yīng)用于大功率光伏、風(fēng)電逆變器、新能源汽車電機(jī)控制器和大功率充電樁中，由于其開關(guān)損耗很小，可提高電能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)使設(shè)備更加可靠，提高使用壽命?！暗侥壳盀橹梗蓟桦娏﹄娮悠骷膽?yīng)用已經(jīng)為全球節(jié)省能源達(dá)20億美元，在減少CO2排放量上相當(dāng)于取代了8座火力發(fā)電廠”。

2005年，全球碳化硅(SiC)單晶片的總產(chǎn)量約為30萬片，產(chǎn)值約為7.5億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年，以碳化硅(SiC)為基礎(chǔ)材料的半導(dǎo)體行業(yè)的全球市場規(guī)模達(dá)到了80億美元，2014年為130億美元，預(yù)計(jì)2020年將增加到800億美元。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年我國碳化硅SiC單晶片的年需求量約5萬片，2009年達(dá)到10萬片，2016年已達(dá)到20萬片左右。以碳化硅(SiC)為基礎(chǔ)材料的半導(dǎo)體產(chǎn)品呈爆發(fā)式增長，市場規(guī)模達(dá)到10億美元，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)碳化硅(SiC)電力電子器件市場將增加到100億美元。

【聯(lián)系方式】

聯(lián)系人：趙巖

電 話：010-56993369/15511255369