新型高硅铝合金的钎焊工艺研究

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新型轻质20~70wt%Si-Al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Si-Al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65Si35A1合金基体上进行先化学预镀Ni,再分别镀Ni-Cu-P、Au和Cu层的方法,有效地改善了它的软钎焊性能。采用Sn-Pb、Sn-Ag-Cu、Sn-In、Sn-Bi几种软钎料对不同镀层的65Si35Al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(EDS)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65Si35Al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:⑴无论是镀Ni-Cu-P,镀Au还是镀Cu,均可实现高Si-Al合金的表面涂覆,镀层与基体母材、镀层与镀层的界面之间结合状况良好。⑵65Si35Al合金镀层试样的断面显微分析表明,Ni-Cu-P镀层、Au镀层、Cu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。⑶镀后65Si35Al合金试样钎焊接头显微分析表明,无论Ni-Cu-P镀层还是Au镀层均与钎焊层、镀层与基体母材65Si35Al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。⑷相同钎料不同镀层相比,钎料对Au镀层的润湿性能最好,且Au元素在焊后完全扩散到整个焊缝中心,而Ni镀层与钎料之间只有少许扩散。⑸用Si-Bi系列钎料炉中钎焊镀层65Si35Al合金时,钎缝中易出现较多空洞缺陷,加热温度宜取高一些(应取高于共晶温度50℃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。⑹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—乙醇冰浴(-50℃)120℃20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。
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