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新型电子封装材料的制备及盒体的焊接_雷党刚

发布日期:2019-08-16 18:48   来源:未知   阅读:

  新型电子封装材料的制备及盒体的焊接_雷党刚_材料科学_工程科技_专业资料。2011 年机械电子学学术会议论文集 2011 年 9 月 新型电子封装材料的制备及盒体的焊接 雷党刚, 解启林 (中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088) 摘 要:本文主要

  2011 年机械电子学学术会议论文集 2011 年 9 月 新型电子封装材料的制备及盒体的焊接 雷党刚, 解启林 (中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088) 摘 要:本文主要介绍了高硅铝合金及金属基复合材料的制备方法及目前采用的几种电子封装盒体的 焊接方法,对比了其优缺点,并就激光封焊方法的工艺参数控制进行了简要介绍。 关键词:电子封装;激光封焊;电子束焊;超微搅拌焊 Preparation of Electronic Packaging Materials and Its Box Welding Technology LEI Dang-gang, XIE Qi-lin (The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China) Abstract: The preparation ways of high-silicon aluminum alloy and aluminum composite are introduced in this paper. The advantages and disadvantages of several welding technologies for electronic packaging materials box are compared and the technology parameters control for laser welding are described. Key words: electronic packaging;laser welding;electron beam welding; ?FSW 引 言 随着航空、航天和军事用途的微波电路、微电 子器件、半导体集成电路向大功率、小型化、轻量 化、高密度组装化、低成本、高性能和高可靠性的 方向发展,对基片衬底材料(热沉) 、机壳和盖板 封装材料的性能也提出了更高的要求。传统的金属 基电子封装材料如 Kovar、Invar、W-Cu 和 Mo-Cu 合金都无法满足飞行器减重的需要。 随着电子元器件的复杂性、密集性以及集成度 的迅猛提高,在微电子集成电路中,无数密集的微小 尺寸的元件产生大量热量,芯片发热量急剧上升, 使 芯片寿命下降。据报道,温度每升高 10℃,GaAs 或 Si 半导体芯片因寿命的缩短而产生的失效就为 原来的三倍。因芯片与封装材料之间热膨胀系数的 不匹配而引起的热应力疲劳以及散热性能不佳而 导致的芯片过热 , 已成为微电子电路和器件的主要 失效形式,据估计,目前 30%的芯片计算能力都受 到封装材料的限制。 封装材料起支撑和保护半导体芯片和电子电 路作用,以及辅助散失电路工作中产生热量的作 用。作为理想的电子封装材料必须满足以下几个基 本要求: 1)低的热膨胀系数,能与 Si、GaAs 芯片相匹 配,以免工作时,由于两者之间热膨胀系数的差异 所引起的热应力使芯片受损; 2)导热性能好,能及时将半导体工作时所产 生的大量热量散发出去,保护芯片不因温度过高而 失效; 3)气密性好,能抵御高温、高湿、腐蚀、辐 射等有害环境对电子器件的影响; 4)强度和刚度高,对芯片起到支撑和保护的 作用; 5)良好的加工成型和焊接性能,以便加工成 各种复杂的形状; 6)性能可靠,成本低廉; 7)轻质,对应用于航空航天领域及其它便携 式电子器件中的电子封装材料的密度要求尽可能 小,以减轻器件的重量。 可伐合金和因瓦合金的主要缺点是热导率差、 密度高、刚度低,钼、钨以及随之发展的钨铜、钼 铜、铜因瓦铜、铜钼铜合金在热传导方面优于可伐 208 2011 年机械电子学学术会议论文集 2011 年 9 月 合金,但其重量却比可伐合金大,不能满足要求。 氮化铝主要存在不能电镀的问题。BeO 由于剧毒, 也不能作为电子封装材料的优选材料。 而 Al 基 SiC 复合材料由于 SiC 颗粒的百分含量加大,材料的断 裂性能、韧性和断裂强度显著下降,同时加工性能 恶化、焊接性能较差也不适合作为壳体材料选用。 而高硅铝合金及金属基复合材料电子封装材 料的出现刚好弥补了这一缺陷。目前国内开展的材 料制备方面的研究较多,但对其焊接性能以及后续 的电镀、使用性能研究较少。 固态法 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 粉末冶金法 气体压力渗透铸造法 无压渗透铸造法 液态法 离心铸造法 搅拌铸造法 挤压铸造法 原位合成技术 1 新型电子封装材料的制备 高硅铝合金的几种制备方法如图 1 所示。 铸造法+细化变质 直接喷射成型+热挤压 雾化粉末+高能球磨 喷射沉积法 图2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 当前利用铸造法生产高硅铝合金其硅含量最 高达到 30%,其铸态显微组织主要由粗大的、孤立 的、多面化的高纵横比的一次 Si 晶粒组成,这会导 致材料内部的各向异性,极不利于合金的综合性能 和可加工性,所以,对于制造综合性能要求比较严 格的电子封装材料,是不太可行的方法[1]。 粉末冶金法的制造温度低于熔模铸造法,因高 温引起的界面反应少,可在同一机件不同位置加入 不同的数量和品种的增强物,以得到不同的性能; 而且用这种方法制备的材料可一次成型,少切削加 工。但其缺点是工艺复杂,成本较高,粉末易氧化、 压型不致密,难以满足电子封装气密性要求,而且 所制备的材料第二相含量不能太高。 喷射沉积快速凝固技术可以显著细化初生硅 相,并且可以直接形成高致密度的沉积坯料,克服 一般快速凝固不能得到块状产品的缺点。英国、荷 兰、美国、日本、印度等国的研究机构,我国的哈 尔滨工业大学、有色金属研究总院、北京科技大学 和北京联合大学等开展了大量的研究工作,展现出 这种工艺的优越性和良好的发展前景。 颗粒增强铝基复合材料的制备方法见图 2。 高硅铝合金的制备方法 原位生成法 图1 高硅铝合金的制备方法 粉末冶金法的优点是材料的颗粒分布均匀,力 学性能比较好、基体和增强体的范围可选,增强体 体积分数可以达到 55%,是一种非常适合制备低膨 胀颗粒增强铝基复合材料的方法,缺点是原材料和 设备成本高,制造出的复合材料的内部组织出现不 均匀现象,孔洞率较大,因此必须对复合材料进行 二次塑形加工,以提高其综合力学性能;工艺比较 复杂, 而且都必须在密封、 真空和保护气氛下进行, 设备及生产成本较高;所制零件的结构和尺寸均受 限制。 美国曾用新的粉末冶金方法 -机械合金化粉末 冶金法制备复合材料,增强体颗粒分布均匀、界面 结合良好,增强体颗粒粒度可在纳米至微米范围内 调节,增强体含量可高达 70%,同时该方法制备的 复合材料的力学性能最高,制备工艺较为成熟,但 工艺成本较高,限制了它的应用。 气体压力渗透铸造法可获得体积百分数达 50%~80%的复合材料,但存在生产过程较慢,施加 压力较小的缺点。 无压渗透铸造法优点是颗粒量可以根据特殊 需要而变化,生产成本低,可以生产形状复杂的网 格状电子封装材料,但熔融浸渗速度较慢,而且要 用气体特别保护。 搅拌铸造法可分为液相搅拌法和液固两相搅 拌法。Duralcan 公司采用液相搅拌法在加拿大魁北 克建立了一个复合材料厂,大规模生产铝基复合材 料。 挤压铸造法的工艺稳定性好,但其缺点是需要 高压设备及密封良好能耐高压的模具,所以生产费 209 2011 年机械电子学学术会议论文集 2011 年 9 月 用较高,生产形状复杂的零件,特别是小的薄壁电 子封装构件方面限制很大[2]。 2 高硅铝及铝基复合材料盒体焊接 作为电子封装材料,经常需要做成盒体的形状 跟盖板装配后焊接形成一个封闭的整体,保护盒体 内部半导体芯片和电子电路安全稳定地工作。 目前常采用的几种盒体封装方法有平行缝焊、 激光封焊、锡焊、电子束焊等。 平行缝焊主要应用于可伐合金等高电阻材料 的矩形或者圆形等规则形状的气密封装,对于低电 阻的材料不能适用,也不能应用于不规则形状的盒 体的封装,盖板较薄,焊缝较浅,焊接强度不高, 无法适用于强度要求高的组件盒体的气密封装,适 用范围较窄,主要优点是焊接速度快,批量自动化 操作比较简单,调整参数较少,可在手套箱内进行 操作,对水氧含量可以进行过程控制,焊缝可承受 的温度较高。 与锡焊相比,激光封焊的优点主要有: 1)激光封焊为无接触焊接,不需要焊料焊剂, 对封装盒体没有污染,不影响其性能,产品外形美 观; 2)激光封焊时功率密度高,作用时间短,热 影响区小,焊接时传入盒体内部的热量极少,因而 消除了封焊对内部元件及底座上的玻璃绝缘子的 不利影响; 3)激光封焊产品是在氮气中或者其他保护气 体中进行封焊,因而消除了锡焊封壳、充氮气和封 气孔造成的污染,特别是消除了松香的污染,可大 大提高产品的可靠性; 4)激光封焊产品可耐真空冷热浸和线)激光封焊可焊的材料熔深较深,可以承受 较高的强度,而锡焊的强度较小; 6)激光封焊可以在特定保护气氛下进行焊接, 对过程水氧含量可以进行控制; 7)激光焊斑小,精度高,焊缝外形光滑,容 易实现自动控制,尤其适用于大批量盒体的气密封 装; 8)重复性好,焊缝质量高,容易实现气密性 极高的精密封焊; 9)能在任何环境中进行焊接,不论是在真空 中还是在惰性气体中都可以实现焊接,而一些新型 的新材料,为防止焊接时表面氧化,需要在高纯氮 气或惰性气体环境中进行。 激光封焊的缺点主要有焊接工艺参数较多,调 节比较困难,对技术人员的要求较高,对不同的材 料焊接参数变动较大,焊接过程中会产生等离子 体,会影响焊接质量,需要根据材料的不同试验不 同的焊接工艺参数,优选出合理的焊接工艺参数。 电子束焊的优点是在真空中进行,可以避免焊 缝的氧化,焊接表面成型较好,无气孔缺陷,优点 与激光焊接类似,但是相比于激光焊接,其主要缺 点是需要在真空下进行,对于航天、航空产品中对 器件有内部气压要求的产品不能适用,而且电子束 焊接不能用于带磁性材料的元器件或者组件的焊 接, 且电子束焊接的设备成本较高, 可操作性较差, 需要抽真空进行焊接操作,焊接效率较低。 2006 年 7 月英国 TWI 发明了超微搅拌摩擦焊 技术(?FSW) ,研究人员正在将这项新技术创造性 地应用在超薄金属的连接上,未来将有可能用于盒 体的气密封装上。 超微搅拌摩擦焊接与搅拌摩擦焊接原理相同, 焊接过程绿色环保,没有烟尘、不需要填丝,焊接 能耗低。但因为材料厚度不同,两者的控制参数却 有着极大的差异,所使用搅拌工具的尺寸和几何结 构也不一致。针对异种材料的焊接,超微搅拌摩擦 焊接技术操作起来更简单,无需添加第三种材料, 且焊后无需任何后期的休整、清洁等工序,产品设 计更方便。同时能够在危险环境中进行焊接作业。 此外,超微搅拌摩擦焊技术也可用于材料修复,通 过摩擦装置实现材料的再次连接。超微搅拌摩擦焊 接技术将作为一项可供选择的连接技术,而不仅是 传统连接方法的代替技术。国外已有报道用于光纤 接收器及发射器的盒体的封装试验,但是由于此项 技术对设备的要求很高,目前还没有成熟,国内还 没有此类设备的报道,所以需要进行进一步的设备 及工艺的研究,将来作为一种固相焊接技术用于组 件盒体的密封[3]。 本文仅以激光封焊为例介绍一下激光封焊的 过程参数控制。 3 激光封焊过程中工艺参数的选择 影响激光封焊质量的因素包括: 1)由激光器决定的有:激光平均功率、单脉 冲最大能量、脉冲宽度、激光波形和激光光束发散 角等; 2)由光学系统决定的有:聚焦焦距 f、离焦量 210 2011 年机械电子学学术会议论文集 2011 年 9 月 等; 3)由气体保护系统决定的有:保护气体成分、 气流量等; 4)由综合因素决定的有:最小光斑直径( θ×f), 光斑重叠度(受光斑大小、脉冲频率、工作台移动速 度等因素影响)[4]。 针对影响激光封焊质量的因素,这里重点对光 斑直径、光斑重叠度、保护气体等工艺参数进行探 讨。 (1)光斑直径 在光路的光学谐振腔出口处加入小孔光栏,这 对改善光斑直径效果最好。小孔光栏的直径一般为 3mm~6mm,直径太大,改善光斑直径效果不佳;直 径太小,会对光学谐振晶体造成伤害,减少其寿命 甚至导致晶体炸裂; (2)光斑重叠度 在一定熔深情况下,增加光斑重叠度有利于提 高焊缝的密封性; (3)保护气体 焊接过程中,保护气体有以下作用:保护光学 器件不被污染; 保护工件表面不被氧化(工件氧化除 外观难看,还因材料成分的原因易产生裂纹,影响 密封性能);驱除等离子体。 当采用激光热传导模式进行焊接时,为了提高 熔深,在保证材料熔化的前提下,应尽可能取较小 的激光辐射照度,而延长加热时间(即较低的焊接 速度) 。 当采用激光深熔焊模式时要求初始的激光经 等离子体云的衰减之后到达工件时仍要达到临界 辐射照度的数值,避免出现模式不稳定焊接过程。 图 3 为采用激光进行封焊的盒体。盒体经检测 满足国军标要求,焊缝美观。 图3 激光封焊铝基复合材料盒体 4 结束语 本文主要介绍了目前国内外研究较多的新型 低膨胀高导热电子封装材料高硅铝合金及复合材 料的制备方法,并就采用此种材料制作的盒体的目 前可选用的几种封焊方法进行了优缺点对比,主要 以激光封焊为例介绍了焊接工艺参数的选择原则, 采用激光封焊实现了这种新材料的气密封焊。对于 后期该种材料的进一步推广应用起到了抛砖引玉 的作用。 参 考 文 献 [1] [2] 安建军, 严彪, 程光.高性能高硅铝基合金研究展望[J]. 金属功能材料,2009,16(4) :50-52. 甘卫平,陈招科,杨伏良,等. 高硅铝合金轻质电子 封 装 材 料 研 究 现 状 及 进 展 [J]. 材 料 导 报 , 2004 (6):79-82. [3] [4] 王卫兵,超微搅拌摩擦焊技术新进展[J]. 搅拌摩擦焊 简报,2009,16(3): 16. 赵锐敏,徐学华,孙绍强. 微型密封极化继电器的激 光封焊与检漏技术[J].工补农机电元件, 2008, 28 (3) : 25-31. —————— 雷党刚(1979 -) ,男,工程师,主要从事搅拌摩 擦焊接、激光封焊、真空钎焊等焊接工艺设计工作。 E-mail: . 21155444天机子东方心经

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