電子封裝用硅鋁合金的應(yīng)用研究

郝新鋒，朱小軍，嚴(yán) 偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電子封裝用硅鋁合金的應(yīng)用研究

郝新鋒，朱小軍，嚴(yán) 偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

硅鋁(Si/Al)合金材料以其優(yōu)異的綜合性能，在電子封裝領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。為推動(dòng)Si/Al合金材料在微波組件封裝中的應(yīng)用，文中簡(jiǎn)要介紹了電子封裝用Si/Al合金材料的性能和制備工藝，針對(duì)Si/Al合金的氣密封裝問題，介紹了目前較成熟的Si/Al合金焊接方法，最后指出在國產(chǎn)Si/Al合金材料應(yīng)用過程中存在的問題和發(fā)展方向。隨著國內(nèi)Si/Al合金制備和加工工藝的發(fā)展，國產(chǎn)Si/Al合金將在電子封裝行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

硅鋁合金；電子封裝；焊接

引 言

金屬封裝殼體作為雷達(dá)微波組件的重要組成部分，起著機(jī)械支撐、散熱通道、信號(hào)傳輸、芯片和基板保護(hù)等重要作用。封裝殼體材料需要與組件內(nèi)部基板的熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配，并且要滿足組件的散熱要求，因此封裝殼體材料的選擇對(duì)微波組件的整體性能非常重要。電子封裝用Si/Al合金主要是指硅含量在11%～70%的共晶及過共晶合金材料，其密度低，熱膨脹系數(shù)與微波組件內(nèi)部的芯片、基板相匹配，散熱性能優(yōu)良，機(jī)加工性能好，非常適合當(dāng)前雷達(dá)微波組件的發(fā)展需求，在電子封裝領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

本文從電子封裝領(lǐng)域的需求出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了目前電子封裝用Si/Al合金材料的性能和制備工藝，并針對(duì)Si/Al合金的氣密封裝問題，介紹了目前較成熟的Si/Al合金焊接方法及在國內(nèi)外的應(yīng)用情況。

維護(hù)檢修費(fèi)=固定資產(chǎn)價(jià)值×年修理費(fèi)率。年修理費(fèi)率取0.5%，則每年減少維護(hù)檢修費(fèi)64.42萬元（12 883.43萬元×0.5%）。

1 Si/Al合金的制備

目前，電子封裝用Si/Al合金材料主要的制備方法有噴射成形法、粉末冶金法、壓力熔滲法等。其中相對(duì)成熟度和市場(chǎng)占有率最高的是英國Osprey公司開發(fā)的Osprey工藝，它采用噴射沉積+熱等靜壓的方法成功制備了Si/Al合金材料，通過控制Si的體積分?jǐn)?shù)，形成了CTE由(7～ 17)×10-6K-1的系列Si/Al合金材料，稱為CE合金，其性能指標(biāo)見表1[1]。Osprey制備的CE合金已成為目前世界上性能最成熟的Si/Al合金，已成功應(yīng)用于軍用、航空、航天電子產(chǎn)品的封裝，并且實(shí)現(xiàn)了商品化。圖1為Osprey公司制備Si/Al合金產(chǎn)品的流程圖[2]。國內(nèi)對(duì)于Si/Al合金的研究開展較晚，一些單位已開始用噴射沉積+熱等靜壓的方法制備Si/Al合金，性能接近Osprey產(chǎn)品，但距工程化應(yīng)用還有較大差距。

表1 Si/Al合金的物理性能[1]

圖1 Osprey工藝流程圖[2]

另外，制備Si/Al合金材料的粉末冶金方法也比較成熟，并且已突破了粉末冶金高Si/Al合金的激光氣密焊接。日本住友公司采用粉末冶金法研制出Si含量為30%～60%的Si/Al封裝材料，并申請(qǐng)了美國專利和歐洲專利，在日本、美國、歐洲發(fā)達(dá)國家軍用通信電子設(shè)備的器件封裝中獲得批量應(yīng)用。國內(nèi)某研究院也利用粉末冶金的方法制備了硅含量在22%～50%的Si/Al合金，材料的物理性能已達(dá)到封裝要求，但材料的焊接性能還需進(jìn)一步改善。

例如：在游戲競(jìng)賽中，教師可以舉辦教學(xué)文化知識(shí)競(jìng)答的比賽，這樣不僅會(huì)促進(jìn)學(xué)生在課后自己主動(dòng)搜索知識(shí)，了解我國數(shù)學(xué)的燦爛文化，還可以利用比賽讓學(xué)生講述有關(guān)數(shù)學(xué)家的故事,從而讓學(xué)生得到鍛煉。我會(huì)讓學(xué)生自己找題目自己設(shè)計(jì)，在小組中互相出題回答，學(xué)生之間出的題目更加切合自身情況，答對(duì)的同學(xué)加分，答錯(cuò)的學(xué)生扣分，輸了的小組還要表演節(jié)目，讓學(xué)生們?cè)谟螒蛑芯驼莆樟酥R(shí)。學(xué)生們非常喜歡這種游戲，都提倡要在教學(xué)中開展。教學(xué)可以根據(jù)教學(xué)課本的具體內(nèi)容，結(jié)合同學(xué)的具體情況來設(shè)置相應(yīng)的比賽項(xiàng)目和比賽內(nèi)容。游戲競(jìng)賽可以讓學(xué)生的學(xué)習(xí)生活更加豐富多彩,幫助學(xué)生拓寬數(shù)學(xué)思維方式能力，體會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的趣味性。

2 Si/Al合金的焊接

Si/Al合金的硅含量較高，材料塑性較差，根據(jù)目前的文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用較多的焊接方法有激光焊、釬焊及擴(kuò)散焊。

登錄 GEO（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo）下載水稻芯片數(shù)據(jù)（GSE21651、GSE58603），兩組數(shù)據(jù)都是選擇研究鹽脅迫下水稻葉片基因的表達(dá)。水稻品 種分 別 為CSR11、PL177、IR64、VSR156， 其 中IR64、VSR156 為鹽敏感型水稻，CSR11、PL177 為鹽耐受型水稻[8-9]。

針對(duì)這一問題，Osprey公司提出了以下2種解決方法：

常見的激光焊接缺陷是沿著焊縫熱影響區(qū)分布的連續(xù)性裂紋，如圖2所示。Osprey公司將整個(gè)焊縫分為4個(gè)區(qū)域(如圖3所示)，對(duì)激光焊縫熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。在激光焊接過程中，粗大的Si相易發(fā)生破碎，但區(qū)域1的Si相均被熔化，不會(huì)形成裂紋；區(qū)域2由于溫度高，Si相的裂紋可被金屬溶液填充，凝固后也不會(huì)形成裂紋；區(qū)域3由于溫度低，基本處于固態(tài)，Si相裂紋無法被有效填充，凝固過程中裂紋不斷擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋；區(qū)域4由于受熱源影響小，焊接前后狀態(tài)無變化[3]。因此，在激光焊接過程中，Si/Al合金最易形成熱影響區(qū)裂紋。

圖2 CE11合金激光焊接熱影響區(qū)裂紋[3]

圖3 激光焊縫區(qū)域分布示意圖[3]

激光焊接是目前Si/Al合金封裝最常用的焊接方法。文獻(xiàn)表明，目前僅Si含量低于50%的硅鋁材料可成功實(shí)現(xiàn)激光焊接[3]，因?yàn)楦逽i/Al合金材料內(nèi)部存在大量脆性的塊狀Si相，激光焊接過程中硅相易發(fā)生破碎，產(chǎn)生裂紋缺陷，Si/Al合金材料塑性較差，裂紋極易擴(kuò)展，形成貫穿性裂紋，造成氣密封裝不合格。因此，高Si/Al合金激光封裝對(duì)焊接參數(shù)的控制要求很嚴(yán)格。

根據(jù)抓取到的招聘信息將調(diào)查對(duì)象分為本科院校圖書館、公共圖書館、科研院所圖書館、中小學(xué)圖書館、高職高專院校圖書館五種。因在實(shí)際統(tǒng)計(jì)過程中本科院校圖書館與高職高專院校圖書館差異較大，故將本科院校圖書館與高職高專院校圖書館分為兩類。

作為中國首家皮卡合資車企，鄭州日產(chǎn)憑借25年皮卡制造經(jīng)驗(yàn)，通過上百次過萬人的訪談、調(diào)研，源于對(duì)皮卡市場(chǎng)的精準(zhǔn)判斷、對(duì)皮卡文化的深刻領(lǐng)悟、對(duì)皮卡趨勢(shì)的準(zhǔn)確把握，首創(chuàng)“Standard Six”(SS) 高品質(zhì)皮卡六大標(biāo)準(zhǔn)，即：品質(zhì)是基礎(chǔ)、顏值是剛需、舒適是趨勢(shì)、科技是潮流、駕控是根本、安全是必備。

2)將焊縫熔合區(qū)移至殼體母材的邊緣，消除對(duì)熔池凝固收縮過程的約束[3]。通過以上措施，可有效避免Si/Al合金激光焊縫熱影響區(qū)裂紋，得到成形良好的焊接接頭。

另外，在Si/Al合金封裝過程中過大的焊接熱應(yīng)力是由殼體與蓋板材料過大的熱膨脹系數(shù)差異引起的。因此，降低焊接熱應(yīng)力，避免焊縫熱影響區(qū)裂紋，還可以通過提高蓋板材料的硅含量，減小殼體材料與蓋板材料的熱膨脹系數(shù)差異來實(shí)現(xiàn)。

以上措施可有效防止Si/Al合金激光焊接裂紋的產(chǎn)生，使微波組件激光封裝的氣密性達(dá)到10-9～10-10Pa·m3/s。

2.2 釬焊

2)助焊劑的清洗問題。釬焊過程中經(jīng)常要用到助焊劑，如何方便有效地清洗助焊劑是釬焊方法需解決的問題。

2.1 激光焊接

Si/Al合金采用釬焊進(jìn)行氣密封裝，必須解決以下2個(gè)問題：

1)Si/Al合金鍍層的制備問題。Si/Al材料內(nèi)部包含金屬鋁與硅2部分，而硅屬于半導(dǎo)體材料，其鍍覆比其他金屬鍍覆困難得多，不當(dāng)?shù)腻兏补に嚂?huì)引起鍍層鼓泡起皮，結(jié)合力不良等現(xiàn)象，無法保證焊接接頭的可靠性；

1)調(diào)整激光脈沖波形，將激光波形由方波調(diào)整為中間功率高、兩端功率低的波形，使焊縫呈預(yù)熱-熔化-退火狀態(tài)，以降低焊縫的熱應(yīng)力；

激光焊接對(duì)Si/Al合金的Si含量有一定要求，而釬焊通過熔化釬料來實(shí)現(xiàn)連接，適用于任意成分Si/Al合金及Si/Al合金與其他合金的焊接。由于Si/Al合金共晶溫度低(575 ℃)，且考慮到焊接溫度對(duì)電子元器件的影響，一般采用中低溫釬料(如金錫、錫鉛、銦錫等)來焊接Si/Al合金。

總而言之，歷史代表著國家的發(fā)展情況，只有做好高中歷史教學(xué)工作，才可以使學(xué)生掌握更多與我國文明、文化有關(guān)的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國意識(shí)?；诒疚膶?duì)高中歷史教學(xué)工作的反思，高中歷史教師在日后教學(xué)中需要更加重視學(xué)生感受、明確教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)、做好歷史知識(shí)復(fù)習(xí)與回顧工作、強(qiáng)化歷史教學(xué)中文化知識(shí)教學(xué)與思想教育的融合，為學(xué)生歷史水平的提高做出努力。

2.3 擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是在高溫高壓條件下實(shí)現(xiàn)2種材料的擴(kuò)散連接，可以直接焊接也可以加入中間層，中間層的加入可以緩解材料熱匹配差異造成的影響，圖4為Si/Al合金的擴(kuò)散連接接頭。

圖4 Si/Al合金擴(kuò)散焊接[2]

不同成分Si/Al合金材料的擴(kuò)散焊接可保證材料界面的強(qiáng)度和密封性，因此可擴(kuò)展Si/Al合金材料的應(yīng)用范圍。隨著具有更低膨脹系數(shù)的基板材料的應(yīng)用，對(duì)殼體材料的熱膨脹系數(shù)要求也更高。為了滿足微波組件的使用要求，一般采用擴(kuò)散焊或釬焊的方法制備多層成分結(jié)構(gòu)，以達(dá)到與基板熱膨脹性能匹配及可激光封裝的效果。圖5為利用擴(kuò)散焊連接的CE7底板+CE13圍框的封裝殼體。

圖5 CE7底板+CE13圍框的封裝殼體[2]

3 Si/Al合金的應(yīng)用

Si/Al合金材料憑借其良好的導(dǎo)熱性能、熱膨脹性能及可加工性，已成功應(yīng)用于軍用、航天、航空電子產(chǎn)品的封裝。目前國外制備的Si/Al合金性能已非常成熟，并實(shí)現(xiàn)了商品化。圖6為Raytheon/Pacific Aerospace公司采用CE11合金制備的密封航空電子產(chǎn)品，圖7為Ericsson Microwave公司采用CE13合金制備的雷達(dá)用封裝外殼。

式中：V2為超級(jí)電容單體的電壓；N2為超級(jí)電容單體的個(gè)數(shù)；t為峰值助力時(shí)間，取值為10s；N2ser為超級(jí)電容串聯(lián)的個(gè)數(shù)；N2par為超級(jí)電容并聯(lián)的個(gè)數(shù)；Vmax為超級(jí)電容單體的最高電壓，取值為3V；Vmin超級(jí)電容單體的最低電壓，取值為1.5V；DOD電容放電深度；Pmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，取值為42kW；C2表示超級(jí)電容容量；Pave為驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電源的平均功率需求，取值為5.4kW。

圖6 Raytheon/Pacific Aerospace公司采用CE11合金制備的密封航空電子產(chǎn)品[1]

圖7 Ericsson Microwave公司采用CE13合金制備的雷達(dá)用封裝外殼[1]

而國內(nèi)Si/Al合金的制備和應(yīng)用才剛剛起步，距產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很大的差距。目前國產(chǎn)Si/Al合金材料從材料制備到材料加工、焊接都存在一定問題，如國產(chǎn)Si/Al合金材料機(jī)加工性能差、易使材料崩裂；表面鍍覆的鍍層附著力不高；材料焊接性能差，易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。以上問題都制約了國產(chǎn)Si/Al合金材料在電子封裝領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。隨著國內(nèi)Si/Al合金制備和加工工藝的不斷改進(jìn)，國產(chǎn)Si/Al合金的應(yīng)用狀況將得到逐步改善。

4 結(jié)束語

Si/Al合金材料以其優(yōu)良的綜合性能，在電子封裝領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，激光焊接、釬焊及擴(kuò)散焊已成為Si/Al合金封裝過程中應(yīng)用最廣泛的焊接技術(shù)，但仍存在較多問題有待解決。另外，與國外Si/Al合金材料的發(fā)展相比，國內(nèi)Si/Al合金材料的研究和應(yīng)用發(fā)展較晚，在材料制備、加工及焊接方面還存在一系列的問題，這些問題需要通過材料制備、加工及焊接工藝的不斷改進(jìn)加以解決，最終推動(dòng)國產(chǎn)Si/Al合金材料在電子封裝領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

[1] Sandvik Materials Technology Incorporated. Osprey CE alloys for thermal management [EB/OL]. [2013-03-20]. http: //www.smt.sandvik.com/osprey.

[2] DAVID M J，ANDREW O，ALAN L. Applications of lightweight controlled expansion (CE) alloys[R]. Baltimore, USA：Joint Capital Chapter IMAPS-SMTA, 2007.

[3] STUART W, ANDREW O, DAVID C. High performance, lightweight, hermetic Al/Si packages for military, aerospace and space applications[R]. 2nd Advanced Technology Workshop on Military, Aerospace, Space and Homeland Security: Packaging Issues and Applications. Baltimore, USA：Joint Capital Chapter IMAPS-SMTA, 2004.

郝新鋒 (1983-)，男，工學(xué)博士，工程師，主要從事微波組件的氣密封裝工作。

Application of Si/Al Alloy for Electronic Packaging

HAO Xin-feng，ZHU Xiao-jun，YAN Wei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Si/Al alloy material has large application potential in electronic packaging field for its excellent performances. To popularize Si/Al alloy in the microwave module packaging, the performances and manufacturing techniques of Si/Al alloy for electronic packaging are described. Moreover, the mature welding techniques of Si/Al alloy for hermetic packaging are introduced. At last, the existing problems and the development trend of homemade Si/Al alloy are pointed out. With the development of manufacturing and processing techniques in our country，the homemade Si/Al alloy will be widely used in electronic packaging industry.

Si/Al alloy； electronic packaging； welding

2013-03-13

TG136

A

1008-5300(2013)04-0049-03