胡富強(qiáng),孫劍飛,趙曰瑞,魏軍齊,賈延?xùn)|,劉廷懿

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

高硅鋁合金制備的電子封裝材料由于具有質(zhì)量輕(密度小于2.7 g/cm3)、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)性能良好及高強(qiáng)度、高剛度,且與金、銀、銅、鎳可鍍、與基材可焊、無(wú)毒等優(yōu)越性能,符合電子封裝技術(shù)朝小型化、輕量化、高密度組裝化方向發(fā)展的要求;此外,鋁、硅在地球上含量相當(dāng)豐富,硅粉的制備工藝成熟,成本低廉,所以硅鋁合金材料成為一種潛在的有廣闊應(yīng)用前景的電子封裝材料,受到越來(lái)越多人的重視,特別是在航空航天領(lǐng)域[1-3]。然而,隨著硅含量的增加,高硅鋁合金材料的脆性增加,其機(jī)械加工性能降低,尤其在電子封裝件微小結(jié)構(gòu)的加工中,普通機(jī)械加工較難達(dá)到加工要求,且加工成功率較低。電火花加工由于沒(méi)有宏觀作用力,在硬、脆材料的加工中擁有極大的優(yōu)勢(shì)。

不同材料的微細(xì)電火花加工過(guò)程中,材料的蝕除形式和過(guò)程是不同的,所表現(xiàn)出的加工規(guī)律也不同[4-5]。為了給高硅鋁合金微細(xì)電火花加工技術(shù)提供理論依據(jù),本文建立了高硅鋁合金的簡(jiǎn)化模型,并對(duì)高硅鋁合金微細(xì)電火花加工的材料蝕除機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 高硅鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型

用Quanta 200F環(huán)境掃描電鏡觀察高硅鋁合金表面微觀形貌,能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖1。經(jīng)分析,圖1a中相對(duì)較亮的灰色區(qū)域,各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成為95.48%Si和4.52%Al,為初晶硅(圖1b);圖1a中相對(duì)較黑的區(qū)域,各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成為98.96%Al和1.04%Si,為純鋁(圖1c);而圖1a中亮白色的區(qū)域,各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成為65.95%Al、14.16%Si和19.88%Fe,為含鐵雜質(zhì)(圖1d)。

圖1 高硅鋁合金表面形貌及能譜分析結(jié)果

由于硅和鋁在噴射成形過(guò)程中先熔融成液態(tài),硅和鋁已充分混合,在通過(guò)噴嘴噴射到沉積錠的過(guò)程中,硅和鋁一同均勻沉積在沉積錠表面,使整個(gè)材料中硅和鋁的分布非常均勻。在沉積過(guò)程中,由于初晶硅的生長(zhǎng)方向不同,雖然形成的硅有晶相結(jié)構(gòu),但材料在整體上也可假設(shè)為各向同性。又因?yàn)樵诔练e過(guò)程中,初晶硅的生長(zhǎng)程度不同,因而初晶硅的粒度和形狀也不同。根據(jù)以上分析可對(duì)高硅鋁合金建立如圖2所示的模型,圖中大小不等的多面體就代表初晶硅,其隨機(jī)均勻地分布在整個(gè)材料內(nèi),其他空間則是純鋁,由于鐵的含量很少,可忽略不計(jì)。

圖2 高硅鋁合金的簡(jiǎn)化模型

2 材料蝕除形式研究

為了研究高硅鋁合金微細(xì)電火花加工的材料蝕除形式,通過(guò)Quanta 200F環(huán)境掃描電鏡對(duì)噴射成形Al-50 w t%Si合金微細(xì)電火花銑削加工前、以及不同加工參數(shù)加工后的被加工表面進(jìn)行了微觀形貌觀察。除特殊說(shuō)明外,其放大倍數(shù)均為1 500倍。同時(shí),還通過(guò)元素能譜分析對(duì)加工前后表面元素的含量變化進(jìn)行了測(cè)定。

2.1 未加工表面分析

圖3是噴射成形Al-50 wt%Si合金加工前的表面形貌及元素能譜分析結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)樣件是用電火花線切割機(jī)床從毛坯件上切割下來(lái)的,表面留有電加工的痕跡。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)前先用砂紙將電加工的痕跡打磨掉,并進(jìn)一步將工件表面打磨成鏡面。從圖3中看到的表面形貌上的刮痕即是砂紙打磨留下的痕跡,打磨后的表面可明顯看到灰色的初晶硅、黑色的鋁及白色的含鐵雜質(zhì)。經(jīng)元素能譜分析可得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:49.79%Si、47.83%Al和 2.38%Fe,被加工表面元素成分百分比構(gòu)成符合整體元素成分百分比構(gòu)成,可準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能研究。

圖3 Al-50 wt%Si打磨后表面形貌及能譜圖

2.2 銅電極加工表面分析

圖4和圖5為噴射成形Al-50 wt%Si合金用銅電極在較大和較小參數(shù)下加工后的表面形貌及能譜分析圖。圖6是中等電參數(shù)的加工表面,其放大倍數(shù)為2 400倍。加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 被加工表面對(duì)應(yīng)電參數(shù)表

對(duì)2種被加工表面進(jìn)行元素能譜分析,可得到較大電參數(shù)的被加工表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:36.44%Si、27.54%Al、17.39%Cu 、11.03%C、4.96%O和2.66%Fe;較小電參數(shù)的被加工表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:43.79%Si、26.23%Al、3.94%Cu 、21.0%C、4.32%O 和 0.72%Fe。

與未加工前的表面相比,被加工表面多出了Cu、C 和O 3種元素,Si、Al、Fe 3種元素的含量均降低。其中,較大電參數(shù)被加工表面中銅元素的含量明顯高于較小電參數(shù)中的含量,這說(shuō)明較大電參數(shù)情況下,電極材料的飛濺、鍍覆作用更明顯,導(dǎo)致更多的銅元素留在被加工表面。碳元素的出現(xiàn)是由于采用正極性加工,并且使用了煤油作為工作液,在加工中煤油高溫分解,產(chǎn)生帶負(fù)電的游離碳,被吸附在工件表面。其中,較小電參數(shù)被加工表面中碳元素的含量明顯高于較大電參數(shù)中的含量,說(shuō)明較小的電參數(shù)更利于碳黑膜的生成,能使工件表面的碳含量增加。氧元素的含量相差不大,分析其原因是由于加工后工件被長(zhǎng)時(shí)間放置在空氣中,表面的鋁被氧化,形成 Al2O3薄膜。

觀察3種電參數(shù)水平下的表面形貌可看出:較大電參數(shù)的被加工表面放電凹坑非常明顯,表面凹凸不平,平均放電凹坑直徑大約為30 μm,且在放電凹坑表面還有大量的細(xì)小顆粒(圖4);而較小電參數(shù)的被加工表面整體較平整,放電凹坑只有幾個(gè)微米,其表面的細(xì)小顆粒也不多,且觀察不到明顯的裂紋(圖5);中等電參數(shù)的被加工表面也較平整,但表面有明顯的裂紋,最大的裂紋寬度接近5 μm(圖6)。

分析3種表面形貌的差別,其原因如下:

由于本實(shí)驗(yàn)使用的微細(xì)電火花加工機(jī)床采用的是RC線路脈沖電源,如忽略機(jī)床系統(tǒng)自身的寄生電容,并假設(shè)每一次放電時(shí)機(jī)床的電容都完全充放電的情況下,單個(gè)脈沖放電能量可表示為:

式中:E為單脈沖放電能量,J;C為放電電容,F;U為加工電壓,V。

中等電參數(shù)下,電壓和電容不高,由式(1)可得知其單脈沖放電能量有限。同時(shí),工件表面形成一定厚度的碳黑膜,對(duì)工件起保護(hù)作用,使放電凹坑較小,材料的濺射也較少。但是,被加工表面中初晶硅的熱應(yīng)力剝除效果非常明顯,其基本原理見(jiàn)圖7。在加工中,被加工表面受到放電瞬時(shí)高溫作用,隨后便迅速冷卻收縮,在表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。由于硅的脆性較大,經(jīng)多次放電加熱、冷卻、再加熱,在拉應(yīng)力的作用下,初晶硅的表面及初晶硅和鋁結(jié)合處形成大量微裂紋,進(jìn)而裂紋生長(zhǎng)擴(kuò)大,造成初晶硅顆粒的剝落,并于放電中被拋出,形成如圖6所示的表面。

圖7 高硅鋁合金中初晶硅熱應(yīng)力剝除示意圖

相對(duì)于中等電參數(shù),當(dāng)電參數(shù)較大時(shí),由于電壓和電容較大,單脈沖放電能量很大,加工中電火花的爆炸力較強(qiáng),碳黑膜不易形成,更多工件和電極材料被熔融拋出甚至氣化,形成較大的放電凹坑。同時(shí),更多的熔融材料在工作液中形成球狀細(xì)小顆粒,除大部分被工作液帶走外,還有小部分飛濺、鍍覆到自身及對(duì)面電極表面,形成非常明顯的凹凸表面且?guī)в屑?xì)小顆粒(小熔融液滴凝固而成)。但是,由于表面每個(gè)放電凹坑尺寸較大且互相覆蓋,熔融的硅和鋁混雜在一起,并不會(huì)形成較大的解理裂紋。

當(dāng)電參數(shù)很小時(shí),由于單脈沖放電能量小,且被加工表面形成較厚的碳黑膜,對(duì)工件所起的保護(hù)作用非常明顯,使放電凹坑很小,熔融物較少,表面整體較平整。此外,由于熱應(yīng)力較小,初晶硅熱解理作用不明顯,表面沒(méi)有明顯的裂紋。

通過(guò)對(duì)3種不同參數(shù)下表面形貌的分析,可得出:一定范圍內(nèi),放電能量越大,初晶硅的熱解理現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.3 鎢電極加工表面分析

噴射成形Al-50 wt%Si合金用鎢電極在不同參數(shù)下加工后的表面形貌及能譜分析見(jiàn)圖8和圖9,其加工參數(shù)見(jiàn)表1。鎢電極在不同電參數(shù)下的被加工表面微觀形貌和銅電極在對(duì)應(yīng)電參數(shù)下的被加工表面形貌特點(diǎn)一致,再次驗(yàn)證了以上分析。

對(duì)鎢電極在不同電參數(shù)下的兩種被加工表面進(jìn)行元素能譜分析,可得到較大電參數(shù)的被加工表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:44.44%Si、29.54%Al、2.85%Fe、9.58%C 、4.63%O、6.42%W 和 2.53%Cu;較小電參數(shù)的被加工表面各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 :45.32%Si、29.85%Al、2.56%Fe、15.28%C、3.32%O 、2.14%W 和1.62%Cu。兩種被加工表面的 Si、Al、Fe、C 、O 等元素的變化規(guī)律與銅電極加工表面的規(guī)律類似,其原因不再贅述,不同的是鎢電極的加工表面出現(xiàn)了少量的W和Cu。其中,鎢元素的出現(xiàn)是由于鎢電極的熔融濺射作用,可明顯看到,相同電參數(shù)下,鎢電極加工表面中鎢的含量大大小于銅電極加工表面中銅的含量,說(shuō)明相同電參數(shù)下相對(duì)于銅電極,鎢電極的熔融物更少,因而濺射到工件表面的鎢含量也更少,這是鎢電極的熔點(diǎn)較高所致。而銅元素的出現(xiàn),推測(cè)是由于本文所使用的機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間使用銅電極加工,工作液沒(méi)有更換和過(guò)濾,其中含有多年電加工產(chǎn)生的含銅雜質(zhì),在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)也被濺射、鍍覆在被加工表面。

3 材料蝕除過(guò)程分析

根據(jù)以上分析,結(jié)合電火花加工機(jī)理[6-9],可分析高硅鋁合金微細(xì)電火花加工中材料的蝕除過(guò)程,其示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 材料蝕除過(guò)程示意圖

3.1 極間介質(zhì)發(fā)生電離、擊穿,形成放電通道

當(dāng)電極(陰極)和高硅鋁合金(陽(yáng)極)之間某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到100 V/μm左右時(shí),電極表面開始逸出負(fù)電子,并在電場(chǎng)力的作用下向高硅鋁合金高速運(yùn)動(dòng)。電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊到工作介質(zhì)中的分子,產(chǎn)生雪崩式電離,并在不到0.1 μ s的時(shí)間內(nèi),使介質(zhì)被擊穿,形成放電通道(圖10a)。受到放電時(shí)的磁致壓縮效應(yīng)及介質(zhì)的慣性壓縮效應(yīng),起初的放電通道截面非常小,但由于放電通道內(nèi)各種粒子碰撞產(chǎn)生大量的熱,放電通道內(nèi)溫度非常高。

3.2 介質(zhì)熱分解、電極材料熔融、氣化熱膨脹

放電通道形成后,在電場(chǎng)力的作用下,電子高速向高硅鋁合金運(yùn)動(dòng),電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能;電子高速撞擊到高硅鋁合金表面,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,使被撞擊部位形成瞬時(shí)高溫?zé)嵩?初晶硅和鋁發(fā)生熔化、氣化。而正離子也在電場(chǎng)力的作用下,對(duì)電極進(jìn)行轟擊,使電極材料發(fā)生熔化和氣化。同時(shí),在高溫放電通道及正負(fù)極表面高溫?zé)嵩吹淖饔孟?煤油(工作介質(zhì))也被氣化,進(jìn)而發(fā)生熱分解氣化,產(chǎn)生一系列氣體及游離碳。由電極、高硅鋁合金、煤油氣化及煤油熱分解氣化產(chǎn)生的氣體急速膨脹,形成強(qiáng)烈的爆炸沖擊波(圖 10b)。

3.3 電極材料拋出

由于放電產(chǎn)生的氣體膨脹,氣泡各處的瞬時(shí)壓力不等,瞬時(shí)壓力較高處的熔融初晶硅、鋁及電極材料被拋出,形成放電凹坑。被拋出的材料除大部分在工作液中冷凝成細(xì)小顆粒外,還有一部分被濺射、鍍覆在對(duì)方表面(圖10c)。此外,在材料的拋出過(guò)程中,由于氣泡擴(kuò)張的慣性,氣泡內(nèi)部形成負(fù)壓真空且極易崩潰,氣泡的擴(kuò)張、崩潰,會(huì)使熔融的材料再次沸騰、氣化,進(jìn)而被拋出。

3.4 極間介質(zhì)消電離

當(dāng)一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí),放電通道內(nèi)電流降為零,被電離的工作介質(zhì)進(jìn)行消電離過(guò)程,恢復(fù)其原本的絕緣強(qiáng)度。被拋出的熔融材料所形成的電蝕產(chǎn)物被工作液帶走,而未被拋出的熔融材料及濺射到表面的熔融材料冷凝后形成重鑄層。同時(shí),由于表面迅速冷卻形成表面拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力的作用下,脆性較高的初晶硅表面首先出現(xiàn)微裂紋,并在多次放電的循環(huán)加熱和冷卻下不斷生長(zhǎng),出現(xiàn)初晶硅的小顆粒剝落(圖10d)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高硅鋁合金顯微形貌的觀察和分析研究,結(jié)合其材料成形過(guò)程,建立了高硅鋁合金的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)加工前后表面的形貌及元素能譜分析,對(duì)高硅鋁合金微細(xì)電火花加工中材料的蝕除形式進(jìn)行了研究。結(jié)合電加工的機(jī)理,分析了高硅鋁合金微細(xì)電火花加工中的材料蝕除過(guò)程,為高硅鋁合金的微細(xì)電火花加工提供了理論基礎(chǔ),并得出以下結(jié)論:

(1)高硅鋁合金微細(xì)電火花加工中,材料的蝕除形式除了初晶硅和鋁的熔融拋出,還伴有初晶硅的熱解理剝落,且在一定范圍內(nèi),電參數(shù)越大,初晶硅的熱解理現(xiàn)象越明顯。

(2)高硅鋁合金微細(xì)電火花加工中,通過(guò)控制較小的放電能量,可降低表面熱應(yīng)力,控制表面裂紋的產(chǎn)生。

(3)相同電參數(shù)下,鎢電極的放電熔融量比銅電極更小。

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