国产粉末冶金硅铝合金的封装性能研究*

郝新锋，刘彦强，严 伟，樊建中

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 北京有色金属研究总院， 北京 100088)

国产粉末冶金硅铝合金的封装性能研究*

郝新锋1，刘彦强2，严 伟1，樊建中2

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 北京有色金属研究总院， 北京 100088)

硅铝合金材料以其优异的综合性能，在微波组件封装中得到越来越广泛的应用。为了推动硅铝封装材料的国产化，文中采用粉末冶金方法制备了系列成分的硅铝合金材料，并对其加工性能、镀涂性能和激光密封性能进行了研究。结果表明，国产粉末冶金硅铝材料的物理性能满足电子封装轻量化、高导热的应用需求，其加工性能、镀涂性能和激光焊接性能也可满足气密封装要求，具备工程化应用的潜力。

粉末冶金；硅铝合金；封装

引 言

Si/Al合金以其优良的综合性能，满足了军用封装模块日益小型化、轻量化、高功率密度的发展要求，其在国内外军工电子装备上的应用越来越广泛[1-2]。粉末冶金方法是一种传统的材料制备工艺，其工艺流程可控，材料性能质量一致性好，生产成本较低。20世纪80年代，日本住友公司将粉末冶金方法应用于高体积分数硅铝合金的制备，研制出了Si含量为30%～60%的Si-Al封装材料，并申请了美国专利和欧洲专利，其相应产品通过了电子封装领域的应用考核，在日本、美国、欧洲发达国家军用通信电子设备的器件封装中获得了批量应用[3-4]。

为了消除关键材料进口受限的风险，实现高硅铝材料的国产化显得十分迫切。本文采用粉末冶金方法制备了系列成分的硅铝合金，检测了国产粉末冶金硅铝材料的成形质量和物理性能，并对硅铝材料的机加工性能、镀涂性能和激光封焊性能进行了实验和评估，通过微波组件产品的封装，验证了国产粉末冶金硅铝材料封装应用的可行性。

1 粉末冶金硅铝材料的基本性能

粉末冶金制备硅铝材料是将特定比例的硅粉和铝粉混合，依次经过混料、冷等静压、抽气处理和热等静压，最终获得高致密度、高性能的硅铝材料。通过调整硅粉和铝粉的混合比例，可获得不同硅含量的硅铝材料。粉末冶金制备工艺流程可控，通过对每个环节材料质量的检测和控制，可保证最终硅铝材料性能的一致性和制备批次的稳定性。为了控制硅铝材料内部硅颗粒的尺寸，使其满足封装要求，所用硅粉颗粒不超过15 μm。图1为采用10 μm硅粉制备的50%Si/Al材料微观组织。从图1可知，粉末冶金硅铝材料内部硅颗粒分布均匀，大部分颗粒尺寸不超过20 μm，机加工后表面状态良好，在显微镜下可观察到材料表面无裂纹、缩孔、疏松等缺陷。

通过性能检测，粉末冶金硅铝材料的物理性能、力学性能指标均满足微波组件的封装需求，详细指标见表1。

表1 粉末冶金Si/Al材料物理性能

图1 粉末冶金50% Si/Al材料的显微组织(500倍)

2 粉末冶金硅铝材料的机加工性能

随着含硅量的增加，Si/Al复合材料的力学性能和使用性能会提高，但其切削性能却会下降。而Si/Al复合材料能否大批量应用，在很大程度上取决于它的切削加工性。同时，微波组件Si/Al外壳中有较多的薄璧结构和小孔结构，在加工过程中容易产生崩边，加工难度较高。

采用常规高速钢或硬质合金刀具加工时，刀具磨损快，需要及时修正，否则容易造成壳体崩边、裂纹等缺陷，并且加工效率低，产品成品率不高。金刚石刀具硬度高，耐磨性好，能够长时间保持刀刃锋利，能有效提高切削性能，从而能够提高加工效率和成品率。因此，需选用耐磨性更高的金刚石刀具进行粉末冶金硅铝材料的铣削加工。

采用粉末冶金50%Si/Al材料加工包含多种结构的壳体，材料机加工性能整体较好，但在加工细孔、薄壁隔墙时有缺陷产生。通过降低机加工磨削时的进刀量，可显著改善加工质量，加工后的样品无崩边、裂纹等缺陷，如图2所示，机加工性能达到应用要求。

图2 粉末冶金硅铝材料机加工样品

3 粉末冶金硅铝材料的镀涂性能

铝硅复合材料内部由金属铝和硅组成。铝基材电镀比其他金属电镀困难得多，若前处理不当，则会出现镀层起泡起皮、结合力不良的现象；而硅属于半导体材料，直接通过电镀的方式会产生点结晶小岛，致使镀层不致密，严重时还会出现表面漏镀失效现象。因此，硅铝材料通常采用化学镀的方法进行表面镀涂，通过表面的活化、敏化与化学镀镍工艺，实现硅颗粒表面的金属化，然后进行镀镍镀金。

在化学镀过程中硅铝材料需要进行多次酸碱处理，粉末冶金硅铝材料中的硅颗粒尺寸较小，较细的颗粒虽然能在材料强度方面有一定的优势，但在镀覆过程中易出现细微的硅颗粒大量脱落的现象，特别是在小孔等复杂结构部位，硅颗粒很难被彻底去除，需要经过多次清洗才能满足后续镀涂要求。如果清洗不彻底，局部材料表面粘附的硅颗粒在镀锌和镀金过程中脱落，会造成镀层不完整、局部出现麻点等缺陷，从而影响其镀层焊接性，如图3所示。

图3 镀金层麻点缺陷

针对粉末冶金硅铝材料的镀涂问题，通过控制前处理过程中酸碱腐蚀程度，提高硅铝材料的超声清洗时间，改善硅铝材料的表面状态，最终可获得均匀、连续的镍金镀层。经过热震试验后，镀层无鼓泡、脱落现象，镀层结合力满足国军标要求。在组件微组装过程中，要用到金锡、锡铅、铟锡等各种温度梯度的焊料，其中铟锡焊料易氧化，对镀层可焊性要求较高，故通常采用铟锡焊片焊接验证粉末冶金硅铝材料镀层的可焊性。在140 ℃的热台上对硅铝镀金壳体加热，铟锡焊片熔化后使用陶瓷片在镀层表面摩擦焊接，焊料润湿铺展均匀，说明镀层可焊性满足铟锡焊接要求，如图4所示。

图4 粉末冶金50% Si/Al壳体镀层可焊性测试

4 粉末冶金硅铝材料的激光焊接

激光焊接是目前硅铝材料封装最常用的焊接方法，硅铝壳体激光焊接时易出现裂纹和气孔2种焊接缺陷。

高Si/Al合金材料内部存在大量脆性的块状Si相，因而在激光焊接过程中硅相易发生破碎，产生裂纹。目前仅有Si含量低于50%的硅铝材料可成功实现激光焊接[3]。针对硅铝材料封装结构的实际特点，为使硅铝材料壳体与基板材料的热膨胀系数匹配，通常采用高体积分数、低膨胀系数的硅铝材料作为封装壳体材料，如50%Si/Al、42%Si/Al。考虑到封装盖板材料的机加工难度，则采用27%Si/Al、22%Si/Al作为盖板材料。采用粉末冶金50%Si/Al、42%Si/Al壳体与27%Si/Al、22%Si/Al盖板进行气密封盖的结果显示，壳体和盖板可任意匹配焊接，焊缝成形良好，气密性满足军标要求。另外，由于粉末冶金硅铝材料的力学性能较高，在激光焊接过程中粉末冶金硅铝材料热裂纹的倾向得到了抑制，因此即使焊接结构有别于文献[3]中建议的结构，焊缝热影响区的裂纹也明显得到改善，基本无裂纹产生。

粉末冶金硅铝材料激光焊接时焊缝表面粗糙，焊缝气孔缺陷较严重，如图5所示。分析认为，粉末冶金硅铝材料氧含量较高，在激光焊接过程中易形成氧化膜气孔，同时大量氧化物的产生致使焊缝成形较差。为了解决这一问题，一方面调整粉末冶金硅铝材料的制备工艺，减少粉体表面的氧化膜，降低材料的氧含量；另一方面，优化粉末冶金材料的焊接工艺，在进行激光焊接前对硅铝材料进行酸洗，清除材料表面的氧化膜，同时调整激光焊接参数，避免激光焊缝中形成尺寸较大、贯穿性的孔洞。这些措施明显改善了激光焊缝成形，显著减少了焊缝孔洞缺陷(如图5所示)，焊缝气密性均小于10-8Pa·m3/s，激光焊接一次成品率在95%以上。

军用电子装备对元器件的可靠性要求非常高。粉末冶金硅铝材料壳体激光密封后，按照GJB548B的要求分别进行温度冲击(-55 ℃～125 ℃，100个循环)和振动实验。经环境考核后壳体的气密性仍保持在10-9～10-10Pa·m3/s，表明具备实际应用的条件。

图5 粉末冶金硅铝材料激光焊缝成形

5 结束语

通过粉末冶金方法制备的硅铝材料具有优异的综合性能，满足电子封装的使用要求，并且材料的机加工、镀涂及焊接性能也通过了验证，具备实际应用的条件。但目前国产粉末冶金硅铝材料还存在加工成本高、镀涂成品率不稳定等问题，需要对材料粉末进行优化设计，在满足封装性能要求的基础上，提高材料加工处理的成品率，进一步降低应用成本，尽快实现工程化应用。

[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.

郝新锋(1983-)，男，工学博士，高级工程师，主要从事微波组件的气密封装工作。

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

HAO Xin-feng1，LIU Yan-qiang2，YAN Wei1，FAN 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