國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁合金的封裝性能研究*

郝新鋒，劉彥強(qiáng)，嚴(yán) 偉，樊建中

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 北京有色金屬研究總院， 北京 100088)

國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁合金的封裝性能研究*

郝新鋒1，劉彥強(qiáng)2，嚴(yán) 偉1，樊建中2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 北京有色金屬研究總院， 北京 100088)

硅鋁合金材料以其優(yōu)異的綜合性能，在微波組件封裝中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了推動(dòng)硅鋁封裝材料的國(guó)產(chǎn)化，文中采用粉末冶金方法制備了系列成分的硅鋁合金材料，并對(duì)其加工性能、鍍涂性能和激光密封性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁材料的物理性能滿足電子封裝輕量化、高導(dǎo)熱的應(yīng)用需求，其加工性能、鍍涂性能和激光焊接性能也可滿足氣密封裝要求，具備工程化應(yīng)用的潛力。

粉末冶金；硅鋁合金；封裝

引 言

Si/Al合金以其優(yōu)良的綜合性能，滿足了軍用封裝模塊日益小型化、輕量化、高功率密度的發(fā)展要求，其在國(guó)內(nèi)外軍工電子裝備上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。粉末冶金方法是一種傳統(tǒng)的材料制備工藝，其工藝流程可控，材料性能質(zhì)量一致性好，生產(chǎn)成本較低。20世紀(jì)80年代，日本住友公司將粉末冶金方法應(yīng)用于高體積分?jǐn)?shù)硅鋁合金的制備，研制出了Si含量為30%～60%的Si-Al封裝材料，并申請(qǐng)了美國(guó)專利和歐洲專利，其相應(yīng)產(chǎn)品通過(guò)了電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用考核，在日本、美國(guó)、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家軍用通信電子設(shè)備的器件封裝中獲得了批量應(yīng)用[3-4]。

為了消除關(guān)鍵材料進(jìn)口受限的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)高硅鋁材料的國(guó)產(chǎn)化顯得十分迫切。本文采用粉末冶金方法制備了系列成分的硅鋁合金，檢測(cè)了國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁材料的成形質(zhì)量和物理性能，并對(duì)硅鋁材料的機(jī)加工性能、鍍涂性能和激光封焊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和評(píng)估，通過(guò)微波組件產(chǎn)品的封裝，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁材料封裝應(yīng)用的可行性。

1 粉末冶金硅鋁材料的基本性能

粉末冶金制備硅鋁材料是將特定比例的硅粉和鋁粉混合，依次經(jīng)過(guò)混料、冷等靜壓、抽氣處理和熱等靜壓，最終獲得高致密度、高性能的硅鋁材料。通過(guò)調(diào)整硅粉和鋁粉的混合比例，可獲得不同硅含量的硅鋁材料。粉末冶金制備工藝流程可控，通過(guò)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)材料質(zhì)量的檢測(cè)和控制，可保證最終硅鋁材料性能的一致性和制備批次的穩(wěn)定性。為了控制硅鋁材料內(nèi)部硅顆粒的尺寸，使其滿足封裝要求，所用硅粉顆粒不超過(guò)15 μm。圖1為采用10 μm硅粉制備的50%Si/Al材料微觀組織。從圖1可知，粉末冶金硅鋁材料內(nèi)部硅顆粒分布均勻，大部分顆粒尺寸不超過(guò)20 μm，機(jī)加工后表面狀態(tài)良好，在顯微鏡下可觀察到材料表面無(wú)裂紋、縮孔、疏松等缺陷。

通過(guò)性能檢測(cè)，粉末冶金硅鋁材料的物理性能、力學(xué)性能指標(biāo)均滿足微波組件的封裝需求，詳細(xì)指標(biāo)見表1。

表1 粉末冶金Si/Al材料物理性能

圖1 粉末冶金50% Si/Al材料的顯微組織(500倍)

2 粉末冶金硅鋁材料的機(jī)加工性能

隨著含硅量的增加，Si/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用性能會(huì)提高，但其切削性能卻會(huì)下降。而Si/Al復(fù)合材料能否大批量應(yīng)用，在很大程度上取決于它的切削加工性。同時(shí)，微波組件Si/Al外殼中有較多的薄璧結(jié)構(gòu)和小孔結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生崩邊，加工難度較高。

采用常規(guī)高速鋼或硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，刀具磨損快，需要及時(shí)修正，否則容易造成殼體崩邊、裂紋等缺陷，并且加工效率低，產(chǎn)品成品率不高。金剛石刀具硬度高，耐磨性好，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持刀刃鋒利，能有效提高切削性能，從而能夠提高加工效率和成品率。因此，需選用耐磨性更高的金剛石刀具進(jìn)行粉末冶金硅鋁材料的銑削加工。

采用粉末冶金50%Si/Al材料加工包含多種結(jié)構(gòu)的殼體，材料機(jī)加工性能整體較好，但在加工細(xì)孔、薄壁隔墻時(shí)有缺陷產(chǎn)生。通過(guò)降低機(jī)加工磨削時(shí)的進(jìn)刀量，可顯著改善加工質(zhì)量，加工后的樣品無(wú)崩邊、裂紋等缺陷，如圖2所示，機(jī)加工性能達(dá)到應(yīng)用要求。

圖2 粉末冶金硅鋁材料機(jī)加工樣品

3 粉末冶金硅鋁材料的鍍涂性能

鋁硅復(fù)合材料內(nèi)部由金屬鋁和硅組成。鋁基材電鍍比其他金屬電鍍困難得多，若前處理不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)鍍層起泡起皮、結(jié)合力不良的現(xiàn)象；而硅屬于半導(dǎo)體材料，直接通過(guò)電鍍的方式會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)結(jié)晶小島，致使鍍層不致密，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)表面漏鍍失效現(xiàn)象。因此，硅鋁材料通常采用化學(xué)鍍的方法進(jìn)行表面鍍涂，通過(guò)表面的活化、敏化與化學(xué)鍍鎳工藝，實(shí)現(xiàn)硅顆粒表面的金屬化，然后進(jìn)行鍍鎳鍍金。

在化學(xué)鍍過(guò)程中硅鋁材料需要進(jìn)行多次酸堿處理，粉末冶金硅鋁材料中的硅顆粒尺寸較小，較細(xì)的顆粒雖然能在材料強(qiáng)度方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但在鍍覆過(guò)程中易出現(xiàn)細(xì)微的硅顆粒大量脫落的現(xiàn)象，特別是在小孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位，硅顆粒很難被徹底去除，需要經(jīng)過(guò)多次清洗才能滿足后續(xù)鍍涂要求。如果清洗不徹底，局部材料表面粘附的硅顆粒在鍍鋅和鍍金過(guò)程中脫落，會(huì)造成鍍層不完整、局部出現(xiàn)麻點(diǎn)等缺陷，從而影響其鍍層焊接性，如圖3所示。

圖3 鍍金層麻點(diǎn)缺陷

針對(duì)粉末冶金硅鋁材料的鍍涂問(wèn)題，通過(guò)控制前處理過(guò)程中酸堿腐蝕程度，提高硅鋁材料的超聲清洗時(shí)間，改善硅鋁材料的表面狀態(tài)，最終可獲得均勻、連續(xù)的鎳金鍍層。經(jīng)過(guò)熱震試驗(yàn)后，鍍層無(wú)鼓泡、脫落現(xiàn)象，鍍層結(jié)合力滿足國(guó)軍標(biāo)要求。在組件微組裝過(guò)程中，要用到金錫、錫鉛、銦錫等各種溫度梯度的焊料，其中銦錫焊料易氧化，對(duì)鍍層可焊性要求較高，故通常采用銦錫焊片焊接驗(yàn)證粉末冶金硅鋁材料鍍層的可焊性。在140 ℃的熱臺(tái)上對(duì)硅鋁鍍金殼體加熱，銦錫焊片熔化后使用陶瓷片在鍍層表面摩擦焊接，焊料潤(rùn)濕鋪展均勻，說(shuō)明鍍層可焊性滿足銦錫焊接要求，如圖4所示。

圖4 粉末冶金50% Si/Al殼體鍍層可焊性測(cè)試

4 粉末冶金硅鋁材料的激光焊接

激光焊接是目前硅鋁材料封裝最常用的焊接方法，硅鋁殼體激光焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋和氣孔2種焊接缺陷。

高Si/Al合金材料內(nèi)部存在大量脆性的塊狀Si相，因而在激光焊接過(guò)程中硅相易發(fā)生破碎，產(chǎn)生裂紋。目前僅有Si含量低于50%的硅鋁材料可成功實(shí)現(xiàn)激光焊接[3]。針對(duì)硅鋁材料封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，為使硅鋁材料殼體與基板材料的熱膨脹系數(shù)匹配，通常采用高體積分?jǐn)?shù)、低膨脹系數(shù)的硅鋁材料作為封裝殼體材料，如50%Si/Al、42%Si/Al?？紤]到封裝蓋板材料的機(jī)加工難度，則采用27%Si/Al、22%Si/Al作為蓋板材料。采用粉末冶金50%Si/Al、42%Si/Al殼體與27%Si/Al、22%Si/Al蓋板進(jìn)行氣密封蓋的結(jié)果顯示，殼體和蓋板可任意匹配焊接，焊縫成形良好，氣密性滿足軍標(biāo)要求。另外，由于粉末冶金硅鋁材料的力學(xué)性能較高，在激光焊接過(guò)程中粉末冶金硅鋁材料熱裂紋的傾向得到了抑制，因此即使焊接結(jié)構(gòu)有別于文獻(xiàn)[3]中建議的結(jié)構(gòu)，焊縫熱影響區(qū)的裂紋也明顯得到改善，基本無(wú)裂紋產(chǎn)生。

粉末冶金硅鋁材料激光焊接時(shí)焊縫表面粗糙，焊縫氣孔缺陷較嚴(yán)重，如圖5所示。分析認(rèn)為，粉末冶金硅鋁材料氧含量較高，在激光焊接過(guò)程中易形成氧化膜氣孔，同時(shí)大量氧化物的產(chǎn)生致使焊縫成形較差。為了解決這一問(wèn)題，一方面調(diào)整粉末冶金硅鋁材料的制備工藝，減少粉體表面的氧化膜，降低材料的氧含量；另一方面，優(yōu)化粉末冶金材料的焊接工藝，在進(jìn)行激光焊接前對(duì)硅鋁材料進(jìn)行酸洗，清除材料表面的氧化膜，同時(shí)調(diào)整激光焊接參數(shù)，避免激光焊縫中形成尺寸較大、貫穿性的孔洞。這些措施明顯改善了激光焊縫成形，顯著減少了焊縫孔洞缺陷(如圖5所示)，焊縫氣密性均小于10-8Pa·m3/s，激光焊接一次成品率在95%以上。

軍用電子裝備對(duì)元器件的可靠性要求非常高。粉末冶金硅鋁材料殼體激光密封后，按照GJB548B的要求分別進(jìn)行溫度沖擊(-55 ℃～125 ℃，100個(gè)循環(huán))和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)環(huán)境考核后殼體的氣密性仍保持在10-9～10-10Pa·m3/s，表明具備實(shí)際應(yīng)用的條件。

圖5 粉末冶金硅鋁材料激光焊縫成形

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)粉末冶金方法制備的硅鋁材料具有優(yōu)異的綜合性能，滿足電子封裝的使用要求，并且材料的機(jī)加工、鍍涂及焊接性能也通過(guò)了驗(yàn)證，具備實(shí)際應(yīng)用的條件。但目前國(guó)產(chǎn)粉末冶金硅鋁材料還存在加工成本高、鍍涂成品率不穩(wěn)定等問(wèn)題，需要對(duì)材料粉末進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足封裝性能要求的基礎(chǔ)上，提高材料加工處理的成品率，進(jìn)一步降低應(yīng)用成本，盡快實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

[1] JACOBSON D M, OGILVY A, LEATHAM A. Applications of lightweight, controlled expansion (CE) alloys[R]. Baltimore, USA: Joint Capital Chapter IMAPS-SMTA, 2007.

[2] Sandvik Materials Technology Incorporated. Osprey CE alloys for thermal management[EB/OL]. [2015-08-10]. http://www.smt.sandvik.com/osprey.

[3] YOSHIAKI I, YUSUKE O. Material for a Semiconductor Device and Process for its Manufacture: European Patent Office, EP0183016B1[P]. 1989.

[4] HOLLAR D L, ROBBINS A W. Hermetic packaging for microwave modules[J]. Allied Signal Federal Manufacturing & Technologies, KCP-613-5824, 1996(10): 1-16.

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

Packaging Capabilities of Homemade Si/Al Alloy by Powder-metallurgy Processing

HAO Xin-feng1，LIU Yan-qiang2，YAN Wei1，F(xiàn)AN Jian-zhong2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.BeijingGeneralResearchInstituteforNon-ferrousMetals,Beijing100088,China)

Si/Al material has been more and more widely used in packaging of microwave modules for its excellent capabilities. To popularize the homemade Si/Al alloy, the powder-metallurgy (P/M) technique has been used to fabricate Si/Al alloy with series components and the capabilities of Si/Al alloy, such as post-processing, plating and laser hermetic welding are studied in this paper. The result shows that the physical performance of the homemade Si/Al alloy by powder-metallurgy processing meets the requirements of electronic packaging with light weight and high thermal conductivity and its processing, plating and laser hermetic welding performances also satisfy the hermetic packaging requirements，which proves the industrial application potential of the powder-metallurgy processed Si/Al alloy.

powder-metallurgy; Si/Al alloy; packaging

2015-08-13

TG136+.3

A

1008-5300(2015)05-0045-03