33激光封焊系統(tǒng)

【技術開發(fā)單位】中國電子科技集團公司第四十八研究所

【技術概述】本產品技術來源于原總裝備部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)境下的強沖擊振動和輻照條件，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，必須對其進行氣密性封裝。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。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，使材料局部熔化實現焊接的設備?；贑NC技術的激光封焊系統(tǒng)通過視覺定位技術實現了自動對位焊接功能，突破了激光聚焦與觀察光學系統(tǒng)設計技術、四軸精密工作臺、手套箱氣體高純凈化技術、高反射率高熱導性金屬的密封焊接技術等關鍵技術，提高了電子組件的可靠性，適應航空航天器電子組件封裝要求，提高了現代電子武器性能，大量應用于我國微組裝產品生產線上，經用戶工藝驗證，產品性能穩(wěn)定性、可靠性高，系統(tǒng)人機交互界面友好，保護功能完善。該項目設備的研制對于提高我國國防水平、增強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鍵技術的自主知識產權有著非常重要的意義。

【技術指標】激光封焊系統(tǒng)的主要技術指標如下。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)激光重復頻率：0.2～800 Hz；6)焊接光斑直徑：≤0.6 mm；7)工作臺XYZ軸運動范圍：400 mm×300 mm×300 mm；8)工作臺XYZ軸重復定位精度：±5 μm；9)工作臺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 ℃。

【技術特點】激光封焊系統(tǒng)通過在惰性氣氛下的激光焊接實現組件密封，使雜質不能進入電路，焊接的同時還在封裝內裝入高質量的惰性氣體，封裝結實，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：點到點運動，包含定距點動、速度控制運動；凸輪輪廓曲線、樣條曲線；計算機CAD圖形導入成代碼與代碼導出CAD圖形；4軸及以上的多軸插補運動；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；軌跡預觀察；工具補償；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；實時示教等。

2)工件產品在氣氛手套箱的預置氣氛內完成激光封焊功能。氣氛手套箱提供焊接所需的高純惰性氣體氣氛要求，手套箱內氣體經循環(huán)風機的驅動產生氣體流動，通過凈化器去除水、氧分子，水、氧含量最低可達1 ppm。

3)通過高效微?？諝膺^濾器可以去除焊接過程中產生的煙塵。

4)待焊組件烘干：通過真空烘箱實現工件產品按設置的溫度烘干。

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

6)可實現點焊、對接焊、疊焊和密封焊等。

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

【先進程度】國內領先

【技術狀態(tài)】批量生產、成熟應用階段

【適用范圍】除了在軍用電子微組裝領域的應用外，激光封焊系統(tǒng)還可以用于民用的動力電池、超級電容、植入性醫(yī)療器械(如心臟起搏器)和塑料焊接等生產領域。動力電池是新能源汽車的核心零部件，直接決定整車性能，電動汽車未來發(fā)展的關鍵技術是動力電池的安全性、成本及儲能容量。在動力電池的生產過程中，激光焊接是一個將正負極材料、隔膜和電解液等原材料化零為整的融合制造過程，是整個動力電池生產流程中的關鍵工藝。激光焊接主要應用于動力電池的方形及圓柱電芯以及模組的生產。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)消費電子、電子工具、電動自行車、儲能電站及新能源汽車領域。動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、設備性能穩(wěn)定易操作，焊接質量及自動化程度高，其工藝上的優(yōu)勢是其他焊接方式無法比擬的。

【獲獎情況】獲得2016年湖南省國防科學技術進步獎二等獎。

【專利狀態(tài)】共申請專利12項，包括9項發(fā)明專利、2項實用新型專利和1項外觀專利。其中發(fā)明專利已授權4項、實用新型專利和外觀專利均已授權。

【合作方式】合作開發(fā)技術服務。

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

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

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

【預期效益】

電動汽車以其節(jié)能環(huán)保、使用成本低、加速快、噪聲小在國內外得到了廣泛的推廣應用，市場前景非常廣闊。我國已經將電動汽車列為國家重點扶持的主要領域，按國家“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國的電動汽車保有量將達500萬輛，年產量將達到200萬輛，到2020年的未來4年，將是中國電動汽車飛速發(fā)展的關鍵幾年。而作為電動汽車核心部件的動力電池市場近幾年也得到了爆發(fā)式的增長。據統(tǒng)計，2015年和2016年動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，計劃新增的動力電池投資就達200億元，預計2017年全年也將達到千億元左右。從動力電池歷年出貨量看，2015年開始動力電池跟隨新能源汽車產銷量崛起，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年有產量的新能源汽車搭載電池總量達28 GWh，與2015年同期相比增長79%，超過2015年全年動力電池出貨量近12 GWh。

動力電池市場的爆發(fā)性增長也帶動了相關生產設備的飛速發(fā)展。據高工產研鋰電研究所(GGII)調研顯示，中國2016年動力電池生產設備需求超過145億元，國內生產設備產值占比80%以上，產值同比增長將超過20%，預計今后幾年中國動力電池生產設備產銷發(fā)展勢頭仍將保持高速增長。動力電池企業(yè)對生產設備提出高精度、高速度、高穩(wěn)定性和無人化、信息化、可視化的要求，已經成為了動力電池設備行業(yè)的發(fā)展共識。

【聯系方式】

聯系人：鄧斌

電 話：0731-85401280/13517316734

34高熱導率、耐高溫、高壓新興材料—碳化硅(SiC)單晶片

【技術開發(fā)單位】北京世紀金光半導體有限公司

【技術概述】在碳化硅單晶生長領域，結合設計平臺中的電磁耦合仿真設計軟件模擬設計熱場，采用物理氣相傳輸法(PVT)生長碳化硅(SiC)單晶，通過實際生長進行驗證優(yōu)化。同時建立低位錯生長模型，結合理論模擬和生長實驗，改進晶體生長的工藝參數，研制具有極低位錯密度的單晶。

在碳化硅(SiC)單晶加工領域，采用多線切割技術對碳化硅(SiC)晶體進行切片，使用物理研磨技術進行研磨、拋光，使用化學機械拋光技術和濕法化學清洗法清洗獲得碳化硅(SiC)單晶襯底。

【技術指標】

產品1：3 in N型導電碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標晶片直徑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/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針旋轉90°±5°

產品2：3 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標晶片直徑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/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°

產品3：4 in N型導電碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標晶片直徑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/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針旋轉90°±5°

產品4：4 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標晶片直徑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/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°

產品5：6 in N型導電碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標晶片直徑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/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針旋轉90°±5°

產品6：6 in高純半絕緣碳化硅單晶材料

參數名稱技術指標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/cm2100%≤0.3 nm≤60 arcsec47.5 mm±1.5 mm{0001} ± 0.25°<11-20>±5.0°

【技術特點】碳化硅(SiC)功能材料采用國內外通用的物理氣相傳輸(PVT)法生長，關鍵技術包括生長溫度和溫度梯度的控制技術、原材料純化技術和化學機械拋光(CMP)技術等。

【先進程度】國內領先

【技術狀態(tài)】批量生產、成熟應用階段

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

【專利狀態(tài)】發(fā)明專利7個，實用新型專利2個

【合作方式】合作開發(fā)技術服務。

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)生產的碳化硅(SiC)單晶片制作而成的碳化硅(SiC)功率器件的應用方案，可實現設備的高效化、小型化、輕量化，達到效率提升、減積減重、延長使用壽命的功能，支持產業(yè)合作伙伴的創(chuàng)新，產品更具競爭力。

2)技術服務。與新能源汽車、充電樁、分布式能源行業(yè)典型客戶建立聯合實驗室以及應用中心，雙方保持長期技術溝通與產品未來發(fā)展方向的交流，提供我司自主研發(fā)生產的碳化硅(SiC)單晶片制作而成的碳化硅(SiC)功率器件的技術支持，配合終端產品的新方案研發(fā)與老產品改造升級，共同開發(fā)應用方案并實現產業(yè)化。

【預期效益】

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校正部分，能夠提高效率；碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(SiC MOSFET)可用于新能源汽車充放電機、DC/DC轉換器中，提高頻率后可將設備體積減小1/3以上；碳化硅功率模塊(SiC Power Module)被應用于大功率光伏、風電逆變器、新能源汽車電機控制器和大功率充電樁中，由于其開關損耗很小，可提高電能轉換效率，同時使設備更加可靠，提高使用壽命?！暗侥壳盀橹?，碳化硅電力電子器件的應用已經為全球節(jié)省能源達20億美元，在減少CO2排放量上相當于取代了8座火力發(fā)電廠”。

2005年，全球碳化硅(SiC)單晶片的總產量約為30萬片，產值約為7.5億美元。據統(tǒng)計，2008年，以碳化硅(SiC)為基礎材料的半導體行業(yè)的全球市場規(guī)模達到了80億美元，2014年為130億美元，預計2020年將增加到800億美元。

據統(tǒng)計，2005年我國碳化硅SiC單晶片的年需求量約5萬片，2009年達到10萬片，2016年已達到20萬片左右。以碳化硅(SiC)為基礎材料的半導體產品呈爆發(fā)式增長，市場規(guī)模達到10億美元，預計2020年國內碳化硅(SiC)電力電子器件市場將增加到100億美元。

【聯系方式】

聯系人：趙巖

電 話：010-56993369/15511255369