微波組件用硅鋁合金的激光封焊工藝研究

王　松，史　戈，成立峰，賀　穎，徐　正

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，　北京 100190)

引　言

單片微波集成電路(MMIC)和以LTCC為代表的多層陶瓷基板在微波組件上的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)鋁合金材料存在著與陶瓷基板和MMIC之間熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，且采用可伐載板過渡的方法也在越來越嚴(yán)苛的輕量化的要求下而難以適用。硅鋁合金具有密度低、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、機(jī)加工性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，滿足當(dāng)前航空航天用微波組件對(duì)殼體材料的需求[1-2]。

為保證組件的長期穩(wěn)定工作，需對(duì)其進(jìn)行氣密性封裝以保證組件內(nèi)部長期保持較低的水氧含量。激光焊接具有焊接速度快、材料范圍廣、焊縫光滑平整、焊接可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)微波組件氣密封裝的最佳途徑之一[3]。硅鋁合金由于存在脆性硅顆粒，在焊接過程中高溫度梯度作用下容易產(chǎn)生裂紋，對(duì)激光焊接參數(shù)和焊接面的結(jié)構(gòu)非常敏感。本文選用Si含量為27%的27SiAl作為蓋板材料，Si含量為50%的50SiAl作為殼體材料，從激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織形貌的影響著手，分析焊接工藝對(duì)焊接熱裂紋的影響規(guī)律，并結(jié)合有限元仿真的方法分析了焊接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)生殼體熱裂紋的影響機(jī)理。通過工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，獲得了封裝體積>10 cm3的微波組件，氣密性穩(wěn)定在10-9Pa·m3/s量級(jí)水平。

1　激光封焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織形貌的影響

焊接設(shè)備選用北京萬恒鐳特生產(chǎn)的LT-600型激光封焊機(jī)，采用YAG脈沖激光器，焦平面處光斑直徑d為0.6 mm。影響激光焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)主要包括峰值功率、脈寬、脈沖波形、頻率、焊接速度和離焦量[4]。其中峰值功率、脈寬和脈沖波形共同決定單個(gè)光斑的能量；離焦量表征的是焦平面與焊接平面的相對(duì)距離，決定了焊縫處實(shí)際光斑的大?。缓附铀俣群皖l率決定光斑的重疊率，重疊率ρ與激光脈沖頻率f、焊接速度v的近似關(guān)系式[5]為ρ=1-v/df。

由于脈沖激光器每個(gè)光斑的作用時(shí)間很短(一般為ms量級(jí))，焊接完成后每個(gè)焊點(diǎn)存在一個(gè)快速冷卻的過程，在高溫度梯度作用下，焊縫處會(huì)產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力。硅鋁合金材料內(nèi)部的大量脆性硅顆粒，尤其對(duì)于50%硅含量的殼體材料，在熱應(yīng)力的作用下，易發(fā)生脆性斷裂，形成焊接熱裂紋。為了優(yōu)化硅鋁合金的激光焊接工藝，設(shè)計(jì)如表1所示的工藝試驗(yàn)方案。為保證足夠的光斑重疊率，將焊接速度和頻率分別固定在3 mm/s和30 Hz，為了保證有足夠的母材熔化填充焊縫，將離焦量設(shè)為-1 mm以保證足夠的焊接熱影響區(qū)。

表1　激光焊接工藝參數(shù)

其中，1#～4#樣品的焊縫表面形貌如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)焊接峰值功率較低時(shí)，焊縫存在明顯的貫穿焊縫中心的裂紋。這是因?yàn)楫a(chǎn)生的焊接熱量較少，焊縫中心還未來得及完全熔合，邊緣就已經(jīng)開始結(jié)晶，在結(jié)晶后期焊縫中心容易形成連續(xù)的液態(tài)薄膜，液態(tài)薄膜在凝固過程中受拉開裂[6]。隨著峰值功率的提高，焊縫中心的貫穿型裂紋明顯減少，呈現(xiàn)出逐漸熔合狀態(tài)，這是因?yàn)榉逯倒β实奶嵘軌蛱岣呒す夂附铀矔r(shí)能量，促進(jìn)焊縫處熔融的母材迅速熔合。當(dāng)焊接峰值功率提升到2.5 kW時(shí)，焊縫處無焊接熱裂紋出現(xiàn)，呈現(xiàn)出光亮的魚鱗狀紋理。隨著峰值功率進(jìn)一步升高，過多的激光能量導(dǎo)致熔池金屬劇烈地汽化，造成金屬飛濺，且焊縫顏色發(fā)黃發(fā)暗，魚鱗狀紋理模糊不清。通過焊縫組織形貌對(duì)比，選定2.5 kW為合適的硅鋁合金的焊接峰值功率。

圖1　不同峰值功率下的焊縫形貌

3#、5#和6#樣品的焊縫截面如圖2所示，焊縫熔深分別為整個(gè)蓋板厚度的50%、70%和90%。結(jié)合表1中的焊接參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著脈寬的增加，熔深呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。為了驗(yàn)證微波組件的環(huán)境適應(yīng)能力，在完成封焊后還需要進(jìn)行溫循、恒定加速度、正弦振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)濕熱、熱真空、檢漏等試驗(yàn)，需要足夠深的熔深來保證焊接的牢固性，但是過厚的熔深會(huì)導(dǎo)致蓋板熔穿，熔融的金屬顆?？赡芡ㄟ^蓋板和殼體之間的間隙進(jìn)入組件內(nèi)部，形成多余物，影響組件長期可靠性，因此選擇4 ms為合適的脈寬。

圖2　不同脈寬下的焊縫熔深

2　焊接面結(jié)構(gòu)對(duì)焊接熱裂紋的影響

在具體項(xiàng)目中應(yīng)用優(yōu)化后的焊接參數(shù)發(fā)現(xiàn)，雖然焊縫組織沒有出現(xiàn)裂紋，但在焊縫邊沿靠近殼體一側(cè)出現(xiàn)了焊接熱裂紋(簡稱殼體熱裂紋)。通過分析裂紋的分布發(fā)現(xiàn)，殼體熱裂紋集中在焊縫距離殼體邊緣較遠(yuǎn)的邊，而在距離殼體邊緣較近的邊沒有出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。說明殼體熱裂紋的出現(xiàn)與焊縫中心距殼體邊沿的距離有關(guān)。為了探究焊接面結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生焊接熱裂紋的影響機(jī)理，本文采用ANSYS這一通用有限元分析軟件對(duì)硅鋁殼體的激光焊接過程進(jìn)行了仿真。

圖3　焊接熱裂紋示意

分別建立寬邊模型和窄邊模型，如圖4所示，其中寬邊模型的焊縫到殼體邊緣距離為3 mm，窄邊模型為0.8 mm。采用函數(shù)加載方法來實(shí)現(xiàn)熱源加載的模擬，熱源模型采用高斯模型。

圖4　有限元模型

由于本文分析的問題為典型的熱應(yīng)力耦合問題，可以忽略應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，只研究溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響[7]。先對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的殼體進(jìn)行熱分析，得到焊接過程的溫度場(chǎng)，再將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，得到圖4所示的焊接過程中等效應(yīng)力分布。從圖中可以看出，焊接中心處的焊接應(yīng)力很小，這是因?yàn)樵诟吣芗す馐淖饔孟?，硅鋁合金處于熔融狀態(tài)，具有良好的塑性變形能力，有效地釋放了焊接熱應(yīng)力。隨著距焊縫中心距離的增加，焊接熱應(yīng)力明顯提升，焊接過程中殼體最高應(yīng)力位于焊縫附近殼體一側(cè)。

在兩種結(jié)構(gòu)殼體4邊分別取4個(gè)點(diǎn)(見圖4)，得到4個(gè)位置的水平熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化，如圖5所示。隨著焊接時(shí)間的增加，熱應(yīng)力逐漸升高，接近焊接結(jié)束時(shí)，寬邊模型的熱應(yīng)力可達(dá)110 MPa，已經(jīng)接近50SiAl合金的屈服強(qiáng)度(125 MPa)，而窄邊模型的最大熱應(yīng)力不超過80 MPa。

圖5　焊接熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化

結(jié)合硅鋁合金力學(xué)性能的特點(diǎn)進(jìn)行分析，蓋板一側(cè)為富含Al的27SiAl合金，金屬相多則具有更好的塑性變形能力，容易產(chǎn)生變形以抵消熱應(yīng)力；而富含Si的50SiAl合金呈現(xiàn)出脆性材料的特點(diǎn)，產(chǎn)生的變形量小，故焊接熱應(yīng)力集中在殼體一側(cè)。當(dāng)焊縫中心距離殼體邊緣較遠(yuǎn)時(shí)，水平方向殼體所受約束較大，殼體形變后容易產(chǎn)生沿焊縫方向的水平拉裂紋；而當(dāng)焊縫中心距離殼體邊緣較近時(shí)，水平方向殼體所受約束較小，殼體容易產(chǎn)生更大的形變以抵消焊接熱應(yīng)力。

3　高硅鋁合金激光封焊氣密性試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述研究結(jié)果，對(duì)殼體焊接面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將焊縫中心距殼體邊緣的距離控制在0.8 mm。采用表1中5#參數(shù)，重新焊接了5個(gè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的殼體(內(nèi)腔體積>10 cm3)，結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物見圖6，發(fā)現(xiàn)殼體熱裂紋完全消除。在4個(gè)大氣壓氦氣氣氛下保壓2 h，通過氦質(zhì)譜儀測(cè)得漏率結(jié)果如表2所示。漏率穩(wěn)定在10-9Pa·m3/s量級(jí)，滿足GJB 360方法112中條件C對(duì)氣密性的要求(2.03×10-8Pa·m3/s)。

圖6　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后焊接效果

序號(hào)漏率(×10-9)/(Pa·m3·s-1)18.2727.4637.1947.7456.92

4　結(jié)束語

本文對(duì)微波組件常用硅鋁合金的激光封焊工藝開展研究，得到了脈沖激光的峰值功率和脈寬對(duì)焊縫形貌及熔深的影響規(guī)律。結(jié)合有限元分析，揭示了硅鋁合金產(chǎn)生殼體熱裂紋的內(nèi)在機(jī)理：焊接過程中熱應(yīng)力集中在殼體一側(cè)，相較于27SiAl，富含脆性Si相的50SiAl合金具有更小的屈服強(qiáng)度，成為焊接熱裂紋的滋生地。通過縮短焊縫到殼體邊緣的距離，以減輕殼體材料在水平方向的約束，能夠顯著降低殼體熱應(yīng)力。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊縫與殼體邊緣距離為0.8 mm時(shí)，殼體熱裂紋完全消除，氣密性滿足國軍標(biāo)要求。這一結(jié)果對(duì)硅鋁殼體焊接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。對(duì)兩相復(fù)合形式的硅鋁合金而言，顯微組織形貌對(duì)其力學(xué)性能有著顯著影響。在今后的研究中，通過材料的顯微組織分析，將有助于深入了解硅鋁材料的焊接特性及焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]陳以鋼, 田飛飛, 邵登云, 等. 硅鋁合金在微波模塊電路封裝中的應(yīng)用[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2015, 40(4): 308-313.

[2]曾婧, 彭超群, 王日初, 等. 噴射沉積電子封裝用高硅鋁合金的研究進(jìn)展[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(12): 3255-3270.

[3]郝新鋒, 朱小軍, 李孝軒, 等. 激光焊接技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(6): 43-45.

[4]陳澄, 王洪林, 孫乎浩, 等. 微波組件殼體激光封焊工藝研究[J]. 電子工藝技術(shù), 2016, 37(1): 28-31.

[5]李娜, 吳洪江. 常用封裝材料的激光封焊工藝研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2013, 38(3): 216-221.

[6]徐驍, 劉艷, 陳潔民, 等. 電子封裝用硅鋁合金激光氣密焊接研究[J]. 電子與封裝, 2016, 16(8): 1-4.

[7]王成. 高硅鋁電子封裝殼體激光焊接的數(shù)值模擬[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013.