（材料加工工程专业论文）新型高硅铝合金的钎焊工艺研究.pdf

新型高硅铝合金的钎焊工艺研究 摘要 新型轻质2 0 7 0 w t s i a 1 合金已被证明是一种综合性能基本满足先进电子 封装要求的材料体系。最重要的是，该系列材料具有较低的可控热膨胀系数、 轻质、易加工等性能特点，可以通过成分优化设计，实现与芯片等半导体材料( 如： 硅和砷化镓) 相匹配的低热膨胀系数。其次，该系列材料还具有可再加工性等性 能特点。然而，在与此系列材料的推广应用密切相关的钎焊性能和封装接头热疲 劳性能方面，国内开展研究的还比较少。 由于高s i a 1 合金中含有大量的硬质硅相，钎料对该系列材料的润湿性能较 差，用普通的软钎焊方法难以实现有效连接，因此试验中采用了在6 5 s i 3 5 a 1 合金 基体上进行先化学预镀n i ，再分别镀n i c u p 、a u 和c u 层的方法，有效地改善了 它的软钎焊性能。采用s n p b 、s n a g c u 、s n i n 、s n b i 几种软钎料对不同镀层 的6 5 s i 3 5 a 1 合金试样进行炉中软钎焊试验分析，内容包括利用金相显微镜、带有 能谱分析( e d s ) 功能的扫描电子显微镜等测试手段，对焊接接头的微观组织结构 及形貌、物相成分等进行检测，探讨了钎焊工艺参数对6 5 s i 3 5 a 1 合金的钎焊接头 质量的影响，分析了接头产生宏观缺陷和微观缺陷的原因以及钎料对不同镀层 润湿性能的差别。此外，还对部分试样接头进行了热疲劳试验。主要研究结论如 下： ( 1 ) 无论是镀n i - c u p ，镀a u 还是镀c u ，均可实现高s i _ a l 合金的表面涂覆，镀 层与基体母材、镀层与镀层的界面之问结合状况良好。 ( 2 ) 6 5 s i 3 5 a t 合金镀层试样的断面显微分析表明，n i c u p 镀层、a u 镀层、c u 镀层与母材区均发生了一定程度的元素扩散，界面结合状况良好。 ( 3 ) 镀后6 5 s i 3 5 a 1 合金试样钎焊接头显微分析表明，无论n i c u p 镀层还是a u 镀层均与钎焊层、镀层与基体母材6 5 s i 3 5 a 1 合金，镀层与镀层的界面之间均发 生了一定程度的元素扩散，界面结合状况较好。 ( 4 ) 相同钎料不同镀层相比，钎料对a u 镀层的润湿性能最好，r a u 元素在焊 后完全扩散到整个焊缝中心，f f 百n i 镀层与钎料之间只有少许扩散。 ( 5 ) 用s i b i 系列钎料炉中钎焊镀层6 5 s i 3 5 a 1 合金时，钎缝中易出现较多空洞 缺陷，加热温度宜取高一些( 应取高于共5 0 c 左右) ，钎缝中的缺陷明显 减少。此外，焊前试样表面的洁净度对钎焊接头质量的影响较大。 ( 6 ) 部分钎焊接头试样的热疲劳试验表明，不同镀层、不同钎料的接头经过液 氮一乙醇冰浴( 一5 0 c ) + _ 1 2 0 2 0 次热循环后，镀层无气泡、剥落等现象， 镀层与基体结合良好，抗热疲劳性能稳定。 关键词：高硅铝合金；钎焊；接头完整性；热疲劳性能 i n v e s t i g a t i o no nb r a z i n gp r o c e s so f n e w h i g hs i l i c o n a l u m i n u m a l l o y a b s t r a c t t h en e wl i g h t w e i g h t2 0 7 0 w t s i _ - a 1a l l o y sh a v e b e e ns h o w nt oh a v e a c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，w h i c hm e e t s t h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fa d v a n c e d e l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a t e r i a ls y s t e m m o s ti m p o r t a n t l y ，t h em a t e r i a l so ft h es e r i e s h a sl o wc o n t r o l l e dc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，l i g h t w e i g h t ，e a s y p r o c e s s i n g a n do t h e rf e a t u r e sb yc o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n di tc a nb ea c h i e v e dt o m a t c ht h ec t eo fc h i p sa n do t h e rs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ( s u c ha s ：s i l i c o na n d g a l l i u ma r s e n i d e ) s e c o n d l y ，t h em a t e r i a l so ft h es e r i e sa l s o h a v er e 。p r o c e s s i n g c a p a b i l i t y a n do t h e rf e a t u r e s h o w e v e r ，d o m e s t i cr e s e a r c ho ft h es o l d e r i n g p r o p e r t i e sa n dp a c k a g i n gjo i n tt h e r m a lf a t i g u ep e r f o r m a n c e ，w h i c hh a v eac l o s e r e l a t i o nw i t ht h ep r o m o t i o n a p p l i c a t i o n o ft h em a t e r i a l si s s t i l l r e l a t i v e l y s m a l l b e c a u s eh i g hs i a 1a l l o yc o n t a i n sal o to fh a r ds i l i c o np h a s e ，t h ew e t t i n g p r o p e r t yo fs o l d e r si s t o o p o o rt o r e a l i z ee f f e c t i v ec o n n e c t i o nw i t ho r d i n a r y s o l d e r i n gm e t h o d t h e r e f o r e ，i ti sa d o p t e dt oe l e c t r o p l a t en i c k e l ，g o l da n dc o p p e r l a y e rm e t h o da f t e re l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n gi n6 5 s i 3 5 a 1a l l o yt oe f f e c t i v e l y i m p r o v et h en e wl i g h t w e i g h t6 5 s i 3 5 a 1c o m p o s i t em a t e r i a ls o l d e r i n gp e r f o r m a n c e i nt h et e s t t h es o l d e r i n gt e s t so fd i f f e r e n te l e c t r o p l a t i n g6 5s i 35 a 1a l l o ys a m p l e s b ys n 。p b ，s n 。a g 。c u ，s n i n ，s n - b is o f ts o l d e r sa r ea n a l y z e d i n c l u d i n gt h e w e l d i n gj o i n tm i c r o s t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g y ，p h a s ec l a s s i f i c a t i o nw i t h m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，t h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n de n e r g y s p e c t r u ma n a l y s i s ( e d s ) ，t od i s c u s st h ei n f l u e n c eo ft h es o l d e r i n g t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r so njo i n tq u a l i t y ， a n a l y s et h er e a s o n so fjo i n tp r o d u c i n gm a c r od e f e c t s a n dm i c r od e f e c t sa n dt h ed i f f e r e n c eo fs o l d e rw e t t i n g p r o p e r t i e s i na d d i t i o n ，a p a r to fj0 i n ts p e c i m e na r et e s t e db yt h et h e r m a lf a t i g u e t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) b o t h e l e c t r o p l a t i n gn i ，e l e c t r o p l a t i n ga ua n dc uc a na c h i e v eah i 曲s i a 1 a l l o ys u r f a c ec o a t i n gt h eb i n d i n go fc o a t i n ga n dt h e s u b s t r a t eb a s em a t e r i a l c o a t i n ga n dt h eo t h e rc o a t i n gi n t e r f a c ei si ng o o dc o n d i t i o n ( 2 ) m i c r o s c o p i ca n a l y s i so f6 5 s i 3 5 a 1a l l o yc o a t i n gs a m p l es e c t i o ns h o w s t h a t n i c o a t l n ga n db a s em e t a l ，t h e c o a t i n gi n t e r f a c ep r o d u c eac e r t a i nd e g r e eo f 引e m e n td i f f u s i o n ，a n dt h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gi si ng o o d c o n d i t i o n ( 引m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so fs o l d e r i n gj o i n ta f t e rp l a t i n go f6 5 s i 3 5 a 1a 1 1 0 v s h o w st h a t r e g a r d l e s so fn io ra uc o a t i n g ，t h ei n t e r f a c ez o n eo fc o a t i n ga n dt h e o t h e rc o a t i n g ，a n dc o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e6 5s i 35 a 1a l l o y ，b r a z i n gl a y e ra n dt h e c o a t i n gp r o d u c e sac e r t a i nd e g r e eo fe l e m e n td i f f u s i o n t h eb o n d i n gs t a t u so ft h e i n t e r f a c ez o n ei sg o o d ( 4 ) c o m p a r i n gd i f f e r e n tc o a t i n g so ft h es a m es o l d e r ，t h ew e t t i n gp r o p e r t yo f a uc o a t i n gi st h eb e s t ，a n d t h ea ue l e m e n t sa f t e rs o l d e r i n gc o m p l e t e l ys p r e a d t h r o u g h o u tt h ew e l dc e n t e r ，b u t n i c o a t i n ga n d f i l l e r o n l yp r o d u c e al i t t l e d i f f u s i o n ( 5 ) i ti se a s yf o rt h es o l d e r i n gs e a mo f6 5s i 35 a 1a l l o yw i t hs i b is e r i e ss o l d e r b yf u r n a c eb r a z i n gt oa p p e a rm o r ev o i d s ，s ot h eh e a t i n gt e m p e r a t u r es h o u l db e t a k e nh i g h e r ( u s u a l l y5 0 。c h i g h e rt h a nt h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r eo ft h es i b i s o l d e r ) ，a n dt h ed e f e c t so fb r a z i n gs e a ma p p a r e n t l yd e c r e a s e i na d d i t i o n ，t h e w e l d i n gs u r f a c ec l e a nd e g r e eh a sal a r g ei n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ft h ejo i n t ( 6 ) t h et h e r m a lf a t i g u et e s t so fap a r to ft h es o l d e r i n gj o i n ts h o wt h a tt h e c o a t i n g sa f t e r2 0t i m e st h e r m a lc y c l i n gf r o ml i q u i dn i t r o g e n e t h a n o li c eb a t h ( 一50 。c ) t o12 0 。ch a v en ob u b b l e sa n ds p a l l i n gp h e n o m e n a ，t h e r e f o r e ，t h eb o n d i n go ft h e c o a t i n ga n dt h es u b s t r a t ei sg o o d ，a n dt h et h e r m a lf a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h e s o l d e r i n gjo i n th a sag o o ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：h i g hs i a 1a l l o y s ；s o l d e r i n g ； j o i n ti n t e g r i t y ；t h et h e r m a lf a t i g u e p e r f o r m a n c e 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的导师徐道荣副教授，是他孜孜不倦的 教导和无微不至的关怀，使我在学术领域内不断前进，不断进步。在研究生学 习阶段，徐老师倾注了大量的心血，无论是在论文选题、构思、资料收集方面， 还是研究方法及论文撰写方面，老师都给了我很大的帮助，在此致上深深的谢 = 也 思0 感谢焊接教研室的李萌盛副教授和焊接实验室的秦琳老师，在他们的帮助 下，许多研究工作才得以实施，特此感谢。同时，对焊接教研室的其他老师一 并表示真诚的感谢。 感谢所有关心支持和帮助过我的同学，特别对在课题研究中给予许多帮助 的陈潇潇、刘文明、李正、汪迎春、王成以及陈重钧等同学，在与他们的探讨 研究中，许多思路得以实现。 最后，对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢! 作者：侯玲 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1 不同工艺的硅基铝金属复合材料组织结构对比3 图1 2 喷射成形s i a l 合金的热膨胀系数( c t e ) 与s i 含量的关系一4 图1 3 喷射成形s i a l 合金的热膨胀系数( c t e ) 与温度的关系4 图1 4 喷射成形s i a l 合金的热传导率与温度的关系5 图1 5 电阻率随s i 含量的变化关系一5 图1 6 不同激光焊工艺参数下焊缝外观形貌1 0 图1 7 钎焊件结合处的显微组织1 1 图1 86 0 s i 4 0 a 1 合金焊接后的宏观照片及扫描电镜照片1 1 图2 1 高硅铝合金镀后试样的宏观组织及显微组织1 6 图3 1 母材6 5 s i 3 5 a 1 微观组织4 0 0 1 9 图3 2 搭接接头2 1 图3 3s x 2 2 5 1 2 型的箱式电阻炉2 1 图4 1 镀n i c u p 后试验的钎焊接头宏观照片2 5 图4 2 镀a u 后试验的钎焊接头宏观照片2 6 图4 3 镀n i c u p 后试样的钎焊接头金相组织照片2 8 图4 4 镀a u 后试样的钎焊接头金相组织照片2 9 图4 5 镀n i c u p 后部分试样的钎焊接头s e m 照片一3 0 图4 - 6 镀a u 部分试样的钎焊接头s e m 一3 l 图4 71 1 1 试样接头部分重要元素线扫描曲线3 2 图4 81 1 1 试样接头元素点扫描位置及谱图3 2 图4 9s n p b 二元相图3 3 图4 1 01 2 1 试样接头元素线扫描曲线3 4 图4 1 l1 2 1 试样接头元素点扫描位置及谱图3 4 图4 1 2s n a g c u 液相等温曲面3 5 图4 1 31 3 2 试样接头元素线扫描曲线3 5 图4 1 41 3 2 试样接头元素点扫描位置及谱图3 5 图4 1 5s n b i 二元相图3 6 图4 1 61 4 2 试样接头元素线扫描区域及部分重要元素的线扫描曲线3 7 图4 1 7l 一4 2 试样接头元素点扫描位置及谱图3 7 图4 18s n i n 二元相图3 8 图4 1 92 1 1 试样接头元素线扫描区域及部分重要元素的线扫描曲线3 9 图4 2 02 2 2 试样接头元素线扫描曲线4 0 图4 2 12 3 2 试样接头元素线扫描曲线一4 0 图4 2 22 4 2 试样接头元素线扫描曲线4 1 图5 1 典型的温度循环试验剖面4 3 图5 2 镀n i c u p 后试样经过温度循环试验后钎缝的金相照片4 4 图5 3 镀a u 后的试样经过温度循环试验后钎缝的金相照片4 5 表格清单 表1 一l常用电子封装材料性能表1 表1 2喷射沉积制备的高硅铝合金力学性能和物理性能6 表2 1浸锌溶液配方及工艺参数1 4 表2 2碱蚀液配方及工艺参数1 4 表2 3化学预镀n i 配方1 5 表3 1钎料化学成分及参数1 9 表3 2钎料的物理和化学性能比较2 0 表3 3n i 镀层试样的炉中钎焊试验参数及接头状态2 2 表3 4a u 镀层试样的炉中钎焊试验参数及接头状态2 2 表4 11 1 1 试样接头点成分能谱分析结果3 3 表4 21 2 1 试样接头点成分能谱分析结果3 4 表4 31 3 。2 试样接头点成分能谱分析结果3 6 表4 41 4 2 试样接头点成分能谱分析结果3 8 第一章 新型高硅铝合金概况及焊接研究现状 1 1 电子封装材料发展概述 随着现代电子技术的迅速发展，电子元器件的集成度更高，运行速度更快， 容量更大，从而要求电子封装材料的导热性能和热匹配性能更好。理想的电子 封装材料必须同时具备以下几个要求：一是材料的导热性能要好；二是为了避 免芯片因热应力损坏，要使材料的热膨胀系数( c t e ) 与s i 或g a a s 等芯片材料的 相匹配；三是材料要有足够的强度和刚度，对芯片起到支承和保护的作用；四 是材料的成本要尽可能低，满足大规模商业化应用的要求【l 】。在某些特殊的场 合，还要求材料的密度尽可能地小( 主要是指航空航天设备和移动计算通信设 备) ，有的还要求材料具有电磁屏蔽和射频屏蔽的特性。随着人们对节能环保意 识的提高，同时还要求材料最好是可回收循环使用和无公害性能的。 传统的金属基电子封装材料包括a 1 ，c u ，m o ，w ，k o v a r ，i n v a r ，a 1 n ，a 1 6 8 s i c p 等，这些材料可以满足上面提出的部分要求，然而它们仍然存在许多不 足之处，表1 1 列出了芯片用材料s i 和g a a s 与基片用材料a 1 2 0 3 和b e o 还有 常用封装材料的物理性能表。 表1 1 常用电子封装材料性能表 材料热膨胀系数1 0 。6 依热导率w ( m k ) 密度g c m 3 s i4 11 5 02 3 g a a s5 8 3 9 5 3 a 1 2 0 3 6 72 03 9 b e o7 22 6 02 9 a l 2 3 62 3 02 7 c u 1 7 63 9 18 9 m o5 11 4 01 0 2 w4 4 51 6 81 9 3 k o v a r5 8 1 78 2 i n v a r1 61 08 0 5 a 1 n4 51 8 03 3 a i 一6 8 s i c p 7 21 5 03 0 金属a l 和c u 的热导率较高，密度较低，但热膨胀系数较高，与陶瓷基片材料 的热匹配性能差；m o 和w 的热膨胀系数和热导率均较好，但密度较大，不适合 做航空航天用封装材料；虽然k o v a r 和i n v a r 合金的热膨胀系数与芯片、基片相 匹配，但它的热导率较低，而且密度较高，作为航空航天封装材料是不适宜的： 虽然a 1 n 和a 1 6 8 s i c p 的热膨胀系数，热导率和密度均满足电子封装材料的要 求，但它们的加工性能较差，而且它们的可镀性能和可焊性能也较差。 目前，国内外关注较多的是用高热导率陶瓷与高热导率金属复合的新型低 密度、高热导率的电子封装材料，特别是新型含硅量高的硅铝复合材料 2 ，3 】。这 种材料质量轻，密度小于3 1 0 3 k g m 3 ，具有良好热传导率，热膨胀系数，而且 机加工性能和电镀性能均较好【4 ，5 j 。而且由于地球上s i 资源丰富，市场上硅粉的 加工也很成熟，高s i a l 合金的成本也较便宜【6 j 。 1 2高硅铝合金的性能和应用 1 2 1 高硅铝合金的制备方法及组织特征 高硅铝合金属于金属基复合材料，其制备工艺主要分为液相法、固相法和 自生成法三大类。液相法主要包括熔渗法、喷射沉积法和搅拌铸造法，其中熔 渗法又包含压力熔渗和无压熔渗二大类；固相法主要包括粉末冶金法和真空热 压法【7 1 。 迄今为止，高s i a l 合金材料最常用的制造方法有以下几种：( 1 ) 压力浸渗法： ( 2 ) 喷射沉积法；( 3 ) 粉末冶金法；( 4 ) 搅拌铸造法。压力浸渗法是通过先制备一 定密度、强度的多孔硅基体骨架，再渗入熔点比其低的铝金属填充骨架。这一 工艺的理论基础是在铝金属熔液润湿多孔基体的毛细管力作用下，金属熔液沿 颗粒间隙流动填充多孔骨架孔隙，从而获得综合性能优良的硅基铝金属复合材 料j ；喷射沉积方法是2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代由英国o s p r e y 公司开始在工 业上实际应用的。喷射沉积制备硅基铝金属电子封装材料的原理是：首先将硅 及铝金属坯料感应加热至熔化，之后熔体通过导流管流出，利用高压惰性氮气 气流将液态金属雾化，形成直径约为4 0 9 m 雾滴的喷射流，雾滴冷凝到旋转的接 收基板 9 , 1 0 j ；对于高硅铝材料，最重要的也是最早应用于生产的制备方法就是 粉末冶金法，粉末冶金法不受基体与第二相的限制，可以准确地调节第二相的 含量，通过改进硅颗粒与金属粉末的粒度搭配，可制备硅基体相含量较高、分 布均匀的硅基铝金属复合材料，而且，用这种方法制备的金属基复合材料一次 成形，少切削加- l - t 1 1 】：搅拌铸造法是制造大多数合金材料最广泛使用的一种方 法，其设备简单、成本低，可实现大批量工业化生产，但做到5 0 以上的硅含 量在国内几乎没有，且其制备高硅铝合金相对其他方法制备高硅铝合金组织较 为粗大【1 2 】。 不同制备工艺制备的硅基铝金属复合材料的组织结构是不同的，如下图1 1 所示。可见，搅拌铸造方法制备的硅铝合金的硅颗粒较大，并且有针状的硅铝 共晶组织；喷射沉积法和加压浸渗方法制备的复合材料组织基本呈颗粒均匀分 布，但喷射沉积的组织更加致密【l3 1 ，粉末冶金方法制备的硅铝合金组织中的铝 呈球状分布【1 4 j ；加压浸渗组织均匀细小，没有产生共晶组织，但由于加压浸渗 2 所制备的试样存在一定的孔隙度，给材料的性能带来了很坏的影响，但可以经 过后续加工工艺，如热挤压和热等静压等方法来提高其致密性，改善材料的性 能【1 5 】。 ( a ) 搅拌铸造组织( b ) 加压浸渗 ( c ) 6 5 s i a i 粉末冶金 ( d ) 喷射沉积 图1 1 不同：j ：艺的高s i a l 合金组织结构对比 ( 白色部分是锅，灰色部分是硅) 1 2 2 高硅铝合金的性能 硅基铝金属复合材料在热膨胀系数、导热率、散热性能、密度、电阻率、 力学性能等方面都具有优良的性能1 6 , 1 7 j ，具体如下： ( 1 ) 热膨胀系数c t e 下图1 2 为喷射成形s i a l 合金的热膨胀系数( c t e ) 与s i 含量的关系。可以看 出：随着硅含量的增加，s i a 1 合金的线膨胀系数降低。这是由于s i 的热膨胀系 数( 2 2 1 0 。6 k ) 远远小于纯a 1 热膨胀系数( 2 3 1 0 - 6 k ) 的缘故。这意味着可以通过 控制s i a l 合金中的s i 含量来调控材料的热膨胀系数，人们可以制得热膨胀系数 在5 17 p p m c 范围内的s i a l 合金，因此国外一些国家又把这种材料成为c e 合 金( c o n t r o l l e de x p a n s i o na l l o y s ) 。另外，从图1 2 中还可以看出，喷射成形s i a l 合 金的c t e 与s i 含量之间并非线性关系，当s i 含量超过一定值( o n ：6 0 w t s i ) 时， 合金的c t e 降低非常缓慢。因此，通常可选择6 0 - - - 7 0 w t s i 的s i a l 合金作为典 型的电子封装材料。 2 5 2 0 y 基1 5 q 掣1 0 c ) 5 0 人i 。 。火。 、 y o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 w t s j 图1 2 喷射成形s i a l 合金的热膨胀系数( c t e ) 与s i 含量的关系 图1 3 喷射成形s i a l 合金的热膨胀系数( c t e ) 与温度的关系 图1 3 为a l ，s i ，5 0 s i 5 0 a 1 的热膨胀系数与温度的关系，由上图可以看出， 高s i a l 合金的线膨胀系数随温度的变化影响不大，这主要是由于s i 的热膨胀系 数较小且随温度变化的不大，又因为高硅铝合金中含有大量的硅相，因此高硅 铝合金的有较好的热稳定性能。 ( 2 ) 热传导率( 散热性能) 图1 4 表示出的是喷射沉积的s i a 1 合金热传导率与温度的关系图。可见， 随硅含量增加( 从5 0 w t 至6 0 w t ) ，合金的热传导率降低。这是因为a l 的热传 导率高，而s i 的热传导率较低。随着温度的升高，s i a l 合金的热传导率略微升 高。这是由于喷射沉积s i a i 合金中，初晶硅尺寸得以明显细化，大量界面的引 入，对电子和声子运动具有一定的散射作用。 4 营 槲 曲 迎 赛； 温度 图l 一4 喷射成形s i a l 合金的热传导率与温度的关系 ( 3 ) 密度 沉积态6 0 s i 4 0 a l 合金的密度为2 3 1 9 c m 3 ，热等静压后密度为2 4 4 8 6 9 c m 3 。 相对于表1 1 中传统电子封装材料而言，密度较轻，比较适合航空航天领域使用 【l5 1 o ( 4 ) 电阻率 7 o1 0z o3 d4 05 06 07 08 0 w t s i 图l 一5 电阻率随s i 含量的变化关系 图1 5 为喷射成形s i a l 合金的电阻率与硅含量的关系。易见，随着硅含量的 增加，合金的电阻率增大。这是由于s i 的电阻率i ：h a l 高得多( 分别为3 10 6 和 2 7 x 1 0 墙) ，随s i 含量增加，合金的电阻率增加，从而使高硅铝合金的导电性能 降低。但从图中可以看出，s i 含量为6 0 7 0 w t 时，合金的电阻率保持在1 0 。6 量级，表明基体在该成分范围内时仍保持连续。 ( 5 ) 力学性能和物理 喷射沉积制备的高硅铝合金力学性能和物理性能如表1 2 所示。7 0 s i 3 0 a 1 吾； 加 ； 加 伯 o eoa：扫i筝一墨叱 合金材料的抗拉强度平均值为1 0 0 m p a ，6 0 s i 4 0 a 1 合金材料的抗拉强度平均值 为1 3 4 m p a ，5 0 s i 5 0 a 1 合金的抗拉强度为1 3 8m p a 。这是因为随着硅含量的增 加，初生硅相增多，而硅元素属于脆性相，因此材料的抗拉强度相对降低，同 理，材料的屈服强度和抗弯强度均降低；7 0 s i 3 0 a 1 合金的布氏硬度平均值为 2 6 1 ，6 0 s i 4 0 a 1 合金的布氏硬度平均值为16 2 ，5 0 s i 5 0 a 1 合金的布氏硬度平均 值为1 4 0 。这是因为随着硅含量的增加，坚硬的初生硅相增多，因此材料的硬 度相应升高。 表1 2 喷射沉积制备的高硅铝合金力学性能和物理性能 材料性能 7 0 s i 3 0 a l6 0 s i 4 0 a l5 0 s i 5 0 a l 抗拉强度m p a 1 0 01 3 41 3 8 屈服强度m p a 1 0 01 3 41 2 5 抗弯强度m p a1 4 31 4 61 7 2 弹性模量g p a 1 2 91 2 41 2 l 刚度系数g p a5 l4 94 9 布氏硬度值 2 6 11 6 21 4 0 泊松比0 2 6 o 2 5o 2 5 1 2 3 高硅铝合金的应用 目前，新型高硅铝合金的应用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 射频微波封装材料和载波器o 高硅铝合金能提供与电路板及其组件相 匹配的热膨胀系数，且有较高的散热性能，较低的密度，较好的密封性能，较 高的尺寸稳定性、平整度和无毛刺缺陷，同时其机加工性能和电镀性能均较好； 新型材料可以作为局部散热部件，使元器件更紧密地排列； ( 2 ) 光学和电子光学外壳：高硅铝合金能提供与之相匹配的热膨胀系数，且 有较高的热导率和硬度，机加工性能和电镀性能亦较好； ( 3 ) 层压印刷电路板的输送板：高硅铝合金与印刷电路板有相匹配的线膨胀 系数，且有高的热导率和可加工性，同时，其在价格和质量方面均优于铜； ( 4 ) 印刷电路板的导向杆和嵌入式计算机产品：高硅铝合金不但提供有效的 散热和强度支撑，而且与印刷电路板的热膨胀系数相匹配； ( 5 ) 气体及其他传感器的载体：新型材料的热膨胀系数与电子模具和传感器 装置相匹配，且具有高的热导率和强度； ( 6 ) 散热片和散热器：这种新型材料不但有低的热膨胀系数和高的热导率， 而且比常用的散热材料w c u 和m o c o 要便宜的多； ( 7 ) 激光系统中的镜头支架：新型材料具有较高的比强度； ( 8 ) 半导体加工设备：高硅铝合金具有高的比刚度，同时，比钢的热导率要 高得多； 6 ( 9 ) 软钎焊装配夹具：高硅铝合金具有较好的耐磨性能、可加工性能和高的 热导率。 o s p r e y 金属公司用喷射沉积与热等静压的方法制备的内部组织结构均匀， 性能优良的a i 一7 0 s i 电子封装材料已经成功的用于航天微波电路；国内的张济山 也成功地将a 1 - 7 0 s i 电子封装材料应用于1 0 w r f s 波段( 2 g h z ) 功率放大器的基 板材料【6 | 。 1 3 电子封装材料的电镀 电镀在电子封装领域应用的非常广泛，主要包括功能性镀层和精密电镀。 如引线框架与j = 片、印刷线路板等实现连接，如配线、散热、信号传递、机械 支撑、功率分配、尺寸过渡等，同时，要求内腿与金线具有键合性，外腿与焊 锡有焊接性，目前这两项功能均是通过电镀来实现的。通常印制板通孔的非导 体孔壁表面的金属化是通过镀铜工艺实现的。电镀技术在b g a 、f c 2 b g a 封装 中的应用主要通过局部电镀n i 、a u 的方法实现，从而在倒装芯片和b g a 基板上 形成可焊性焊点电极凸点。 1 3 1 电镀原理 电镀的过程主要包括阴极反应和阳极反应。阴极反应即被镀零件表面上的 电子中和溶液中金属离子上的正电荷，结果使金属沉积在零件的表面。阳极反 应即电子离开金属电极，形成金属正离子进入溶液。电镀过程还包含电镀试样 前零件表面的清洗、漂洗以及活化和电镀试样后烘烤保温等环节。电镀试样前 对毛坯试样的磨光和抛光以及清洗预处理对确保镀层与基体金属具有良好结合 性是非常重要的。同时，金属表面上的腐蚀痕、气孔、划痕、砂眼等缺陷不仅 不能使金属表面获得平整光滑的镀层，而且会使这些低凹处易存留镀前处理和 电镀中的各种酸碱液，使镀层产生斑点，泛点和起泡，或者可能黏附尘粒和余 属颗粒，使镀层产生结瘤和毛刺，又因这些结合不牢的毛刺和结瘤脱落而产生 凹坑。所以在电镀试样前要除去金属工件表面的毛刺、氧化皮、腐蚀痕、砂眼、 划痕、锈及气孔等，使工件表面平整光滑。 电镀的过程是在电镀槽里实现的。电镀槽主要包括以下几个部分： ( 1 ) 电源或者整流器，使电子通过外电路从阳极向阴极方向运动； ( 2 ) 带电粒子，在溶液中传输电流； ( 3 ) 阳极电极部分，是溶液中金属离子的来源，为内电路提供了电子，与整 流器或电源的正极相连； ( 4 ) 阴极电极即是镀件，与整流器或电源的负极相连，使它们形成闭合回路。 1 3 2 电子封装中主要的镀层 电子封装中主要使用的镀层有：镍镀层、贵金属镀层、铜镀层以及一些复 合镀层等。 ( 1 ) 镍镀层 7 纯镍镀层不仅硬度很高，可以用来控制磨损、表面腐蚀和提高润湿性能， 而且由于其电磁学和磁学特性以及光学特性，如反射率、吸收率、发射率等， 因此具有非常大的应用价值。在电子封装领域，纯镍镀层不仅可以作为贵金属 的阻挡层，防止基体与镀层间的扩散，而且可以提高电子元器件的可靠性。同 时，镍镀层还可以作为可钎焊材料的镀涂层，改善基体材料的润湿性能。本研 究就有采用在高s i a l 合金表面化学沉积n i c u p 合金的方法来改善钎料对基体 的润湿性能 1 8 a 9 1 。 ( 2 ) 贵金属a u a g 镀层 贵金属镀层均为电位是正的金属，其所包含的金属特性决定了它在电镀中 的应用。在电子封装领域选择贵金属所考虑的主要因素如下：可焊性、接触特性、 耐蚀性、反射率、耐热性、耐磨性、价格、颜色等。贵金属镀层主要包含：金、 银、铂、铭等。金具有非常低的电阻率，而且它非常稳定，不会形成表面氧化 物，所以可提供很低的表面接触电阻，但金的价格较高，是一种昂贵的涂镀层 材料，在本研究中采用在高s i a l 合金表面预镀金属纯镍然后电镀金的方法来改 善钎料对基体的润湿性能。银具有优良的导电性能和热性能，且银的价格相对 较低，但是银的易变色、耐蚀性差且易发生离子迁移。迁移的离子可能被还原 成银金属原子，因这种金属原子的迁移在两个导体间构成连线发生短路，但可 在银镀层上涂覆金、铭或者铂来防止金属银离子的迁移。铭被广泛的应用在需 要高温稳定性和耐磨性的电子封装领域，由于该金属价格非常昂贵，使电镀层 厚度受到限制 2 0 j 。 ( 3 ) 铜镀层 铜具有很高的热导率、电导率以及高熔点，并且能够在碱性、酸性、中性 镀液中进行电镀过程，因此铜镀层得到了普遍的使用。但铜镀层也存在一些缺 点，如暴露在大气后铜会由于氧化和表面腐蚀而迅速失去光泽。当铜镀层做s n 镀层的底镀层时，c u 与s n 之间容易形成金属问化合物c u 6 s n 5 ，使体积膨胀产生 压应力，促进晶须生长，导致电子封装失效【2 1 | 。 1 4 高硅铝合金的焊接 1 4 1 存在的焊接问题 ( 1 ) 氧化 由于铝与氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合生成结实而致密的一层 厚度约为0 1 l a m a l 2 0 3 薄膜，所以在焊件表面极易会发生如下反应： 4 a 1 + 30 2 = 2 a 1 2 0 3( 1 ) 而且形成的氧化物熔点高达2 0 5 0 。c ，远远超过铝及铝合金的熔点，而且密度很 大，约为铝的1 4 倍，这层氧化物难以除掉。在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍 金属之间的良好结合，并易造成夹渣。同时，氧化膜还会吸附水分，焊接时会 促使焊缝生成气孔。这些缺陷，都会降低焊接接头的性能。 ( 2 ) 焊缝气孔 高硅铝焊接时产生气孔的主要原因：由于高硅铝合金的导热性能非常好， 熔池结晶过程很快，因此冶金反应产生的气体来不及逸出熔池的表面，残留在 焊缝中形成气孔。如果母材金属表面的氧化膜吸附水，被焊接头清理不干净， 存有油脂或杂质，填充材料潮湿，保护气体不纯及空气侵入焊接区等，也能使 焊缝产生内部气体和表面气孔。而且对于粉末冶金制备的s i a 1 ，在熔化焊温度 下闭塞气体的含量很高，极易造成气孔缺陷。 ( 3 ) s i 裂 电子封装用s i a l 合金中的s i 含量大约为5 0 一7 0 。在焊接过程中，快速熔 化和快速凝固很容易致使s i 裂。 ( 4 ) 焊接裂纹 高硅铝焊接过程中，熔池凝固收缩产生拉应力，致使焊接热影响区开裂， 但有研究表明，焊接熔池越小，产生裂纹的可能性越小。 1 4 2 高硅铝合金的焊接方法 能够实现高硅铝合金焊接的方法有：熔化焊、固态焊接、钎焊三类。s i a 1 熔化焊时，基体被加热到熔点以上，而增强体s i 仍为固体，因而导致熔池黏度 过高，母材与填充金属难以充分熔合。而提高熔池温度会使熔池金属粘度降 低、流动性改善，对成形有利，但是会加剧增强体与铝基体的界面反应及其自 身熔解，造成焊接缺陷采用快速热循环和低热输入的高能量密度焊，包括激 光焊和电子束焊，对母材的影响较小，且有助于减少熔化焊所引发的缺陷，因 此近年来在这方面开展的研究较多。而且激光焊接是低成本的焊接方式，使用 n d ：y a