轨道交通绝缘栅双极型晶体管模块封装材料的制备技术及其显微组织研究

范明保 王永亮 黄 林 肖 宇 张 力 邢大伟

(1.中车长春轨道客车股份有限公司工程技术中心, 130062, 长春；2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院， 150001， 哈尔滨∥第一作者, 工程师)

在轨道交通车辆中，采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块构成牵引变流器、逆变器等电气组件，具有广泛的应用需求。超高硅铝合金作为封装材料，具有多方面的综合优势，如：热膨胀系数可调，较高的热导率，材料轻量化，足够的强度与刚度及可电镀等[1-5]。

粉末冶金复合致密化工艺要求温度较低，Si颗粒粒径大小可控，组织稳定性较高且工艺简单、成本低。这种制备方法在硅铝复合材料的结构和组织控制上有较大的发展潜力[6-8]。本文将在传统粉末冶金的基础上，结合双向分级热压致密化成型工艺，制备Al-50%Si合金电子封装材料。

1 Al-50%Si合金电子封装材料制备试验

本试验所用原材料为市售工业Al粉和Al-50%Si合金粉。Al-50%Si合金试样成型结构示意见图1。其中，Al粉的纯度≥99.5%，粒度为20～50 μm；Al-50%Si合金粉的粒度为20～50 μm，纯度≥99.7%。Al-50%Si合金试样成分质量分数见表1。

图1 Al-50%Si合金试样结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Al-50%Si alloy sample structure

如图1所示，压坯两端采用Al粉保护，使用圆柱形模具配合压力机冷压成型，然后在恒温下烧结并采用热压致密化工艺，即双向间断加压并反复挤压的压制方式制备Al-50%Si合金试样。冷压压力为250 MPa，保压时间为15 min，脱模压力为75 MPa，烧结温度为720 ℃，并恒温保温50 min。压胚恒温烧结后迅速移至压力机模具中，采用匀速点动分级加压致密化，压力机冲头比压与保压时间的关系见表2。

表1 Al-50%Si合金试样成分质量分数Tab.1 Element content of Al-50%Si alloy sample 单位：%

表2 Al-50%Si合金试样制备中冲头比压、系统压力与保压时间的关系Tab.2 Relationship among punch specific pressure， system pressure and holding time of Al-50%Si alloy sample

采用热处理工艺制备Al-50%Si合金试样，工艺条件为：在540 ℃温度下，热扩散处理3.5 h。使用DM4000M型光学显微镜观察Al-50%Si合金显微组织，并采用扫描电子显微镜Quanta 200FEG对试样表面进行观察并拍照。

2 不同烧结工艺对Al-50%Si合金显微组织的影响

2.1 热压致密化工艺下Al-50%Si合金的显微组织

如图2所示，当烧结温度达到660 ℃时，在Si-Al两相界面可以发现细小的孔隙存在，但结合较差；当烧结温度达到780 ℃时，Si相尺寸已经发生严重恶化，合金中则出现了Si相颗粒明显联结长大的趋势(见图2 c)圆圈处)，这种Si相结构导致材料具有明显的各向异性，使得其局部的热导性能和热膨胀性能发生大幅度变化，这将不利于电子封装材料的应用。当烧结温度为720 ℃时，显微组织尺寸无明显改变，颗粒分布均匀。

a)烧结温度为660 ℃ b)烧结温度为720 ℃ c)烧结温度为780 ℃图2 不同烧结温度下Al-50%Si合金的显微组织Fig.2 Microstructure of Al-50%Si alloy at different sintering temperatures

如图3所示,随着保温时间的延长，原始Si颗粒棱角边缘发生球化。当保温时间达到90 min后，粉体中的Si颗粒出现联结长大现象，多个距离相近的Si颗粒连接成一个Si相骨架，因Si颗粒粗大，严重影响Al-50%Si合金材料性能(见图3 c))。另外，如图3 d)所示，在观察Al-50%Si合金的金相时还发现，随着保温时间的延长，烧结坯的芯部，即最终凝固处，出现较多孔隙，而在保温50 min时金相组织则较为致密。产生这种现象的原因可能是因为长时间保温情况下，形成的连续Si相骨架，阻碍了液态Al的流动，进而在烧结以及热压致密化过程中，难以对其芯部组织进行补缩，最终产生空隙。

图3 不同保温时间下Al-50%Si合金的显微组织图像Fig.3 Microstructure of Al-50%Si alloy at different holding times

2.2 热处理工艺下Al-50%Si合金的显微组织

如图4所示，未经热处理的合金内部细长，针状的共晶硅均匀分布在初晶硅周围的Al基体中；随着热处理工艺下保温时间的延长，共晶硅相貌发生了明显的改变，大部分尺寸较大且细长的共晶硅发生熔断，变为尺寸较小、端部圆滑的短棒状或粒状的共晶硅。当保温时间达到3.5 h，共晶硅全部变为球粒状且均匀地分布在Al基体当中。

图4 热处理工艺前后共晶硅显微形貌对比Fig.4 Micromorphology comparison between Eutectic silicon samples before and after heat treatment process

3 结论

1) 采用热压致密化工艺制备Al-50%Si合金时，通过严格控制压力供给方式，实现了分级加压，进一步提高了烧结体的致密度。烧结温度对合金组织起着决定性作用，保温时间对显微组织的影响远小于温度因素。在烧结温度为720 ℃且保温50 min的烧结工艺条件下，合金粉压坯热压态显微组织表观良好。

2) 采用热处理工艺制备的Al-50%Si合金，合金粉热压态组织Si相颗粒尺寸细小，且分布均匀。纤维状与细针状共晶硅均匀地分布于基体中；热扩散温度为540 ℃，扩散处理3.5 h，能够有效熔断纤维状与细针状共晶硅，此时共晶硅呈细小球粒状。