SiCp/Al復(fù)合材料鍍金工藝研究*

盧海燕，周明智

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

SiCp/Al復(fù)合材料鍍金工藝研究*

盧海燕，周明智

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

SiCp/Al復(fù)合材料導(dǎo)電性差、膨脹系數(shù)低，尤其是不具備釬焊能力。為了滿足封裝殼體的良好釬焊性能，必須對(duì)其表面進(jìn)行鍍金改性處理。文中針對(duì)SiC體積分?jǐn)?shù)高達(dá)60%以上的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行鍍金工藝研究，主要目的是解決鍍金層與基材之間的結(jié)合力難題。通過工藝試驗(yàn)，采用工藝分步實(shí)施化學(xué)鍍鎳、熱處理、電鍍鎳、電鍍金步驟，得到的鍍層表面光滑平整，沒有明顯的結(jié)瘤和夾雜，與基材的結(jié)合力強(qiáng)。該工藝作為SiCp/Al可焊性表面處理技術(shù)之一，對(duì)于其他鋁基復(fù)合材料表面處理具有重要的參考價(jià)值。

SiCp/Al；復(fù)合材料；鍍金；焊接

引 言

隨著電子元器件的復(fù)雜性、密集性以及集成度的迅猛提高，芯片的功率越來越大，對(duì)芯片的散熱要求越來越高。傳統(tǒng)的電子封裝材料如Kovar合金、鉬銅等已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)微波和集成電路技術(shù)高速發(fā)展對(duì)封裝的各項(xiàng)要求。作為新一代電子封裝材料的代表，高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al)具有低膨脹、低密度、高熱導(dǎo)率、高比剛度、高比強(qiáng)度等優(yōu)良性能，已在國(guó)內(nèi)外的機(jī)載、星載雷達(dá)中獲得了實(shí)際應(yīng)用[1-5]。

SiCp/Al材料應(yīng)用于雷達(dá)T/R組件和封裝殼體上，首先需要解決該材料不可焊接的問題，這就需要在其表面鍍一層結(jié)合力好、可焊性高的鍍金層。但是SiCp/Al材料中SiC顆粒填充含量高達(dá)60%以上，采用傳統(tǒng)的鋁合金鍍金工藝不能滿足鍍層結(jié)合力要求。因此，一段時(shí)間以來，可靠鍍覆工藝成為制約該材料工程化進(jìn)展的一項(xiàng)關(guān)鍵瓶頸技術(shù)。本文針對(duì)SiCp/Al材料進(jìn)行鍍金工藝實(shí)驗(yàn)，解決鍍金層的結(jié)合力難題，達(dá)到良好焊接性能，使之成為合格的封裝材料。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用的是SiCp/Al(SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)70%)復(fù)合材料，其顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示，經(jīng)液態(tài)浸滲成型工藝制備的SiCp/Al材料組織細(xì)小，SiC顆粒為不規(guī)則形狀，大部分為三角形，棱角尖銳、分明，嵌入分布在鋁基體中，尺寸大約在10～50 μm之間。材料中沒有疏松和空洞。

圖1 SiCp/Al材料的表面顯微組織

實(shí)驗(yàn)中化學(xué)鍍和電鍍的原材料都來源于普通商業(yè)用途的化學(xué)試劑。

1.2 鍍金工藝

本材料是在SiC預(yù)制件中浸入熔融的鋁合金制備而成，因此電鍍前處理可參考鋁合金的前處理工藝。但考慮到夾雜的SiC顆粒導(dǎo)致的材料表面不連續(xù)性和復(fù)合材料的特性對(duì)工藝過程和工藝參數(shù)加以改進(jìn)。經(jīng)多次試驗(yàn)探索，鍍金工藝采用金屬化—熱處理—電鍍的綜合表面處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鍍層致密、結(jié)合力牢固、外觀好，且工藝重現(xiàn)性好，簡(jiǎn)單易操作。

基本工藝過程為：除油—酸浸—化學(xué)鍍鎳—熱處理—活化—鍍鎳—鍍金。各步驟之間需要加2～3道水洗。結(jié)合實(shí)際工藝試驗(yàn)，本文重點(diǎn)敘述鍍金工藝中鍍金的建浴方法、熱處理方法以及鍍層性能測(cè)試方法等。

(1)鍍金建浴方法(標(biāo)準(zhǔn)1 L)

首先向設(shè)置好加熱器以及攪拌設(shè)備的鍍槽內(nèi)添加9500型鍍金開缸劑，將其升溫至65 ℃，然后加入含金8 g的金鹽，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙?。待鍍液冷卻至25 ℃，測(cè)定pH值及比重。確認(rèn)pH值在4.5～5.0, 比重在14.7～16.7 °Be′范圍內(nèi)，調(diào)整鍍液溫度到65 ℃。

(2)熱處理方法

將完成化學(xué)鍍鎳的SiCp/Al試件放入真空爐抽真空后隨爐升溫至400 ℃，保溫1 h，真空度1.1 × 10-3Pa，隨爐冷卻后，取出。

1.3 測(cè)試方法

按照GJB 1420《半導(dǎo)體集成電路外殼總規(guī)范》附錄A對(duì)鍍層結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試。具體方法為：將試樣隨爐升溫至300 ℃，再放入450 ℃馬弗爐中保持120 s，取出自然冷卻至室溫，在10倍放大鏡下觀察鍍層有無氣泡、起皮或脫落。為了更充分地驗(yàn)證鍍層結(jié)合力，增加銼刀試驗(yàn)法(GB5270)和焊料剝離法進(jìn)行測(cè)試。主要過程為：在鍍層表面焊接一定厚度的銅線，要求焊料鋪展面積不低于30 mm2，且保持焊點(diǎn)牢固，待冷卻后用工裝固定試樣，用鉗夾住銅線，瞬間用力使銅線拉離試樣表面，觀察鍍層有無被焊料或銅線拉脫，用XREY熒光儀進(jìn)行鍍層和焊料成份分析。

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層橫斷面形貌和測(cè)量鍍層厚度。按照國(guó)軍標(biāo)GJB 548B微電子器件試驗(yàn)方法和程序方法進(jìn)行可焊性實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鍍層外觀與結(jié)合力

SiCp/Al材料鍍金后外觀顏色均勻一致。產(chǎn)品使用過程中，在無焊劑、焊料、油污、指紋等污染的情況下，鍍金層無變色、起泡或鍍層脫落等現(xiàn)象，見圖2。

圖2 SiCp/Al封裝蓋板鍍金照片

經(jīng)450 ℃高溫烘烤和銼刀試驗(yàn)法測(cè)試，鍍層與SiCp/Al基材結(jié)合牢固。采用焊料剝離法，經(jīng)XREY熒光儀分析顯示，拉離的焊料及銅線表面只有Pb、Sn焊料成份，未發(fā)現(xiàn)金元素和鎳元素，見圖3。

圖3 焊料剝離法成份分析

2.2 工藝過程對(duì)鍍層結(jié)合力的影響

鋁是兩性金屬，和酸堿均能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而SiC則和酸堿不反應(yīng)。SiCp/Al材料在經(jīng)過除油和酸浸過程中的酸、堿化學(xué)反應(yīng)時(shí)，如果反應(yīng)過強(qiáng)，則容易在腐蝕晶界處和SiC顆粒周圍形成毛細(xì)空洞，不僅鍍層粗糙度會(huì)顯著增加，還會(huì)嚴(yán)重影響鍍層與基體的結(jié)合力；如果反應(yīng)過弱，則不能有效清除表面氧化物，同樣也會(huì)影響鍍層結(jié)合力。本工藝實(shí)驗(yàn)采用弱堿性除油和添加少量氫氟酸的硝酸浸蝕，既能保持基材的表面粗糙度又能達(dá)到良好的結(jié)合力。圖4為放大75 000倍的鍍金表面SEM形貌照片，可以看出鍍層表面結(jié)晶均勻、連續(xù)、致密。

圖4 SiCp/Al鍍金表面微觀形貌

化學(xué)鍍鎳后的熱處理過程可以很好地改善鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。一方面是因?yàn)樵?00 ℃，1 h熱處理?xiàng)l件下，化學(xué)鎳層的硬度會(huì)成倍增加，減小了與基材的硬度差距。在此溫度下，鍍層發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)通過熱處理消除了鎳層的內(nèi)應(yīng)力和析氫脆性，塑性和韌性加強(qiáng)。鍍層和基體之間發(fā)生互相擴(kuò)散，在界面處形成擴(kuò)散層[6-8]。為了更直觀地觀察鍍層與基材之間的結(jié)合界面情況，對(duì)試樣進(jìn)行橫截面制樣，見圖5。鎳鍍層和復(fù)合材料界面形成了良好的結(jié)合，鍍層厚度均勻、連續(xù)，呈現(xiàn)出完好的覆蓋能力，減少了SiCp/Al材料的表面缺陷與不連續(xù)性。

圖5 SiCp/Al鍍金截面區(qū)域顯微組織

2.3 鍍層可焊性

對(duì)鍍層的化學(xué)成分分析表明金鍍層純度為99.9%以上，達(dá)到封裝焊接對(duì)鍍金層的要求。釬焊性能測(cè)試結(jié)果表明焊料層均勻、全潤(rùn)濕、平滑、無隆起。采用金錫焊對(duì)SiCp/Al鍍金蓋板和圍框進(jìn)行焊接，具有良好的焊接性和耐焊性，焊接強(qiáng)度高，且能經(jīng)受多次重復(fù)焊接。

從圖5可見，由于熱處理過程鎳元素分布范圍較廣，沿著SiCp/Al材料基底到鍍金層都觀測(cè)到鎳的存在。表面一層較薄的金層很好地保護(hù)了鎳不受氧化影響。同時(shí)一定厚度的鎳層對(duì)重復(fù)焊接或耐焊性起到較好的作用，這意味著可以提高焊接的可靠性，可以滿足長(zhǎng)期可靠性要求。

3 結(jié)束語

采用改進(jìn)型鋁基復(fù)合材料表面鍍金工藝對(duì)高體積組份SiCp/Al進(jìn)行鍍金實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單、方便，工藝穩(wěn)定，且不需昂貴的設(shè)備。通過實(shí)施前處理、化學(xué)鍍鎳、熱處理、電鍍鎳、電鍍金工藝過程獲得的鍍金層，表面光滑平整，沒有明顯結(jié)瘤和夾雜。鍍件在經(jīng)歷450 ℃高溫烘烤、銼刀試驗(yàn)和焊料剝離試驗(yàn)測(cè)試后，鍍層無起泡脫落等結(jié)合不牢現(xiàn)象。鍍層與鉛錫焊料、金錫焊料都具有良好的焊接性和耐焊性，焊接后，長(zhǎng)期放置或使用不出現(xiàn)晶須。該工藝技術(shù)作為電子封裝材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)用性強(qiáng)，且在其他鋁基類復(fù)合材料表面電鍍中具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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Study on Gold-plating Technology of SiCp/Al Composite Material

LU Hai-yan，ZHOU Ming-zhi

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

SiCp/Al composite material has low conductivity and low expansivity, especially has no brazingability. In order to obtain good brazing performance of packaging case, gold-plating modification treatment for its surface is essential. Gold-plating technology is studied in this paper for the SiCp/Al composite with more than 60% SiC volume fraction. The major objective is solving the binding force difficulty between gold coating and substrate. Through process experiment, steps of electroless nickel plating, heat treatment, nickel electroplating and gold electroplating are adopted. Coating thus obtained is smooth and flat, and no obvious nodulation and inclusion are found. Its binding force with substrate is strong. As one of the surface treatment technology for SiCp/Al weldability, the process has important reference value for the surface treatment of other aluminum matrix composites.

SiCp/Al; composite material; gold-plating; welding

2014-09-03

TB333.1

A

1008-5300(2014)06-0057-03

盧海燕(1974-)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻嫣幚怼?/p>