电子封装用硅铝合金的应用研究

郝新锋，朱小军，严 伟

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

电子封装用硅铝合金的应用研究

郝新锋，朱小军，严 伟

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

硅铝(Si/Al)合金材料以其优异的综合性能，在电子封装领域具有巨大的应用潜力。为推动Si/Al合金材料在微波组件封装中的应用，文中简要介绍了电子封装用Si/Al合金材料的性能和制备工艺，针对Si/Al合金的气密封装问题，介绍了目前较成熟的Si/Al合金焊接方法，最后指出在国产Si/Al合金材料应用过程中存在的问题和发展方向。随着国内Si/Al合金制备和加工工艺的发展，国产Si/Al合金将在电子封装行业得到广泛应用。

硅铝合金；电子封装；焊接

引 言

金属封装壳体作为雷达微波组件的重要组成部分，起着机械支撑、散热通道、信号传输、芯片和基板保护等重要作用。封装壳体材料需要与组件内部基板的热膨胀系数(CTE)匹配，并且要满足组件的散热要求，因此封装壳体材料的选择对微波组件的整体性能非常重要。电子封装用Si/Al合金主要是指硅含量在11%～70%的共晶及过共晶合金材料，其密度低，热膨胀系数与微波组件内部的芯片、基板相匹配，散热性能优良，机加工性能好，非常适合当前雷达微波组件的发展需求，在电子封装领域具有巨大的应用潜力。

本文从电子封装领域的需求出发，简要介绍了目前电子封装用Si/Al合金材料的性能和制备工艺，并针对Si/Al合金的气密封装问题，介绍了目前较成熟的Si/Al合金焊接方法及在国内外的应用情况。

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1 Si/Al合金的制备

目前，电子封装用Si/Al合金材料主要的制备方法有喷射成形法、粉末冶金法、压力熔渗法等。其中相对成熟度和市场占有率最高的是英国Osprey公司开发的Osprey工艺，它采用喷射沉积+热等静压的方法成功制备了Si/Al合金材料，通过控制Si的体积分数，形成了CTE由(7～ 17)×10-6K-1的系列Si/Al合金材料，称为CE合金，其性能指标见表1[1]。Osprey制备的CE合金已成为目前世界上性能最成熟的Si/Al合金，已成功应用于军用、航空、航天电子产品的封装，并且实现了商品化。图1为Osprey公司制备Si/Al合金产品的流程图[2]。国内对于Si/Al合金的研究开展较晚，一些单位已开始用喷射沉积+热等静压的方法制备Si/Al合金，性能接近Osprey产品，但距工程化应用还有较大差距。

表1 Si/Al合金的物理性能[1]

图1 Osprey工艺流程图[2]

另外，制备Si/Al合金材料的粉末冶金方法也比较成熟，并且已突破了粉末冶金高Si/Al合金的激光气密焊接。日本住友公司采用粉末冶金法研制出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，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批量应用。国内某研究院也利用粉末冶金的方法制备了硅含量在22%～50%的Si/Al合金，材料的物理性能已达到封装要求，但材料的焊接性能还需进一步改善。

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2 Si/Al合金的焊接

Si/Al合金的硅含量较高，材料塑性较差，根据目前的文献报道，应用较多的焊接方法有激光焊、钎焊及扩散焊。

登录 GEO（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo）下载水稻芯片数据（GSE21651、GSE58603），两组数据都是选择研究盐胁迫下水稻叶片基因的表达。水稻品 种分 别 为CSR11、PL177、IR64、VSR156， 其 中IR64、VSR156 为盐敏感型水稻，CSR11、PL177 为盐耐受型水稻[8-9]。

针对这一问题，Osprey公司提出了以下2种解决方法：

常见的激光焊接缺陷是沿着焊缝热影响区分布的连续性裂纹，如图2所示。Osprey公司将整个焊缝分为4个区域(如图3所示)，对激光焊缝热影响区裂纹产生的原因进行了分析。在激光焊接过程中，粗大的Si相易发生破碎，但区域1的Si相均被熔化，不会形成裂纹；区域2由于温度高，Si相的裂纹可被金属溶液填充，凝固后也不会形成裂纹；区域3由于温度低，基本处于固态，Si相裂纹无法被有效填充，凝固过程中裂纹不断扩展，最终形成宏观裂纹；区域4由于受热源影响小，焊接前后状态无变化[3]。因此，在激光焊接过程中，Si/Al合金最易形成热影响区裂纹。

图2 CE11合金激光焊接热影响区裂纹[3]

图3 激光焊缝区域分布示意图[3]

激光焊接是目前Si/Al合金封装最常用的焊接方法。文献表明，目前仅Si含量低于50%的硅铝材料可成功实现激光焊接[3]，因为高Si/Al合金材料内部存在大量脆性的块状Si相，激光焊接过程中硅相易发生破碎，产生裂纹缺陷，Si/Al合金材料塑性较差，裂纹极易扩展，形成贯穿性裂纹，造成气密封装不合格。因此，高Si/Al合金激光封装对焊接参数的控制要求很严格。

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2)将焊缝熔合区移至壳体母材的边缘，消除对熔池凝固收缩过程的约束[3]。通过以上措施，可有效避免Si/Al合金激光焊缝热影响区裂纹，得到成形良好的焊接接头。

另外，在Si/Al合金封装过程中过大的焊接热应力是由壳体与盖板材料过大的热膨胀系数差异引起的。因此，降低焊接热应力，避免焊缝热影响区裂纹，还可以通过提高盖板材料的硅含量，减小壳体材料与盖板材料的热膨胀系数差异来实现。

以上措施可有效防止Si/Al合金激光焊接裂纹的产生，使微波组件激光封装的气密性达到10-9～10-10Pa·m3/s。

2.2 钎焊

2)助焊剂的清洗问题。钎焊过程中经常要用到助焊剂，如何方便有效地清洗助焊剂是钎焊方法需解决的问题。

2.1 激光焊接

Si/Al合金采用钎焊进行气密封装，必须解决以下2个问题：

1)Si/Al合金镀层的制备问题。Si/Al材料内部包含金属铝与硅2部分，而硅属于半导体材料，其镀覆比其他金属镀覆困难得多，不当的镀覆工艺会引起镀层鼓泡起皮，结合力不良等现象，无法保证焊接接头的可靠性；

1)调整激光脉冲波形，将激光波形由方波调整为中间功率高、两端功率低的波形，使焊缝呈预热-熔化-退火状态，以降低焊缝的热应力；

激光焊接对Si/Al合金的Si含量有一定要求，而钎焊通过熔化钎料来实现连接，适用于任意成分Si/Al合金及Si/Al合金与其他合金的焊接。由于Si/Al合金共晶温度低(575 ℃)，且考虑到焊接温度对电子元器件的影响，一般采用中低温钎料(如金锡、锡铅、铟锡等)来焊接Si/Al合金。

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2.3 扩散焊

扩散焊是在高温高压条件下实现2种材料的扩散连接，可以直接焊接也可以加入中间层，中间层的加入可以缓解材料热匹配差异造成的影响，图4为Si/Al合金的扩散连接接头。

图4 Si/Al合金扩散焊接[2]

不同成分Si/Al合金材料的扩散焊接可保证材料界面的强度和密封性，因此可扩展Si/Al合金材料的应用范围。随着具有更低膨胀系数的基板材料的应用，对壳体材料的热膨胀系数要求也更高。为了满足微波组件的使用要求，一般采用扩散焊或钎焊的方法制备多层成分结构，以达到与基板热膨胀性能匹配及可激光封装的效果。图5为利用扩散焊连接的CE7底板+CE13围框的封装壳体。

图5 CE7底板+CE13围框的封装壳体[2]

3 Si/Al合金的应用

Si/Al合金材料凭借其良好的导热性能、热膨胀性能及可加工性，已成功应用于军用、航天、航空电子产品的封装。目前国外制备的Si/Al合金性能已非常成熟，并实现了商品化。图6为Raytheon/Pacific Aerospace公司采用CE11合金制备的密封航空电子产品，图7为Ericsson Microwave公司采用CE13合金制备的雷达用封装外壳。

式中：V2为超级电容单体的电压；N2为超级电容单体的个数；t为峰值助力时间，取值为10s；N2ser为超级电容串联的个数；N2par为超级电容并联的个数；Vmax为超级电容单体的最高电压，取值为3V；Vmin超级电容单体的最低电压，取值为1.5V；DOD电容放电深度；Pmax为驱动电机峰值功率，取值为42kW；C2表示超级电容容量；Pave为驱动电机对电源的平均功率需求，取值为5.4kW。

图6 Raytheon/Pacific Aerospace公司采用CE11合金制备的密封航空电子产品[1]

图7 Ericsson Microwave公司采用CE13合金制备的雷达用封装外壳[1]

而国内Si/Al合金的制备和应用才刚刚起步，距产业化应用还有很大的差距。目前国产Si/Al合金材料从材料制备到材料加工、焊接都存在一定问题，如国产Si/Al合金材料机加工性能差、易使材料崩裂；表面镀覆的镀层附着力不高；材料焊接性能差，易出现气孔、裂纹等缺陷。以上问题都制约了国产Si/Al合金材料在电子封装领域的大规模应用。随着国内Si/Al合金制备和加工工艺的不断改进，国产Si/Al合金的应用状况将得到逐步改善。

4 结束语

Si/Al合金材料以其优良的综合性能，在电子封装领域具有巨大的应用潜力。目前，激光焊接、钎焊及扩散焊已成为Si/Al合金封装过程中应用最广泛的焊接技术，但仍存在较多问题有待解决。另外，与国外Si/Al合金材料的发展相比，国内Si/Al合金材料的研究和应用发展较晚，在材料制备、加工及焊接方面还存在一系列的问题，这些问题需要通过材料制备、加工及焊接工艺的不断改进加以解决，最终推动国产Si/Al合金材料在电子封装领域的产业化应用。

[1] Sandvik Materials Technology Incorporated. Osprey CE alloys for thermal management [EB/OL]. [2013-03-20]. http: //www.smt.sandvik.com/osprey.

[2] DAVID M J，ANDREW O，ALAN L. Applications of lightweight controlled expansion (CE) alloys[R]. Baltimore, USA：Joint Capital Chapter IMAPS-SMTA, 2007.

[3] STUART W, ANDREW O, DAVID C. High performance, lightweight, hermetic Al/Si packages for military, aerospace and space applications[R]. 2nd Advanced Technology Workshop on Military, Aerospace, Space and Homeland Security: Packaging Issues and Applications. Baltimore, USA：Joint Capital Chapter IMAPS-SMTA, 2004.

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

Application of Si/Al Alloy for Electronic Packaging

HAO Xin-feng，ZHU Xiao-jun，YAN Wei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Si/Al alloy material has large application potential in electronic packaging field for its excellent performances. To popularize Si/Al alloy in the microwave module packaging, the performances and manufacturing techniques of Si/Al alloy for electronic packaging are described. Moreover, the mature welding techniques of Si/Al alloy for hermetic packaging are introduced. At last, the existing problems and the development trend of homemade Si/Al alloy are pointed out. With the development of manufacturing and processing techniques in our country，the homemade Si/Al alloy will be widely used in electronic packaging industry.

Si/Al alloy； electronic packaging； welding

2013-03-13

TG136

A

1008-5300(2013)04-0049-03