秦 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板的熱匹配試驗(yàn)

秦 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

對Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板進(jìn)行了釬焊，測試了焊后以及溫度沖擊試驗(yàn)后殼體的平面度，并對LTCC基板焊接開裂和電信號通斷進(jìn)行了檢測。熱膨脹匹配性試驗(yàn)結(jié)果表明，Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板的熱匹配性較好，在釬焊面積達(dá)到71 mm × 60 mm時(shí)未出現(xiàn)裂紋。Al-50%Si合金是一種具有廣闊應(yīng)用前景的封裝材料。

Al-50%Si合金；LTCC；熱匹配

引 言

隨著星載有源相控陣?yán)走_(dá)“高度集成化”和“模塊化”新設(shè)計(jì)理念的拓展，相控陣天線單元數(shù)量大，單元間距越來越小，組裝密度越來越高，發(fā)熱密度更大，對封裝用外殼材料的要求也越來越高，要求材料在具有低密度(輕量化要求)、低膨脹(與電路基板進(jìn)行有效連接)和良好導(dǎo)熱性能的同時(shí)還要求材料能夠進(jìn)行機(jī)加工、表面鍍覆和進(jìn)行有效連接[1]。硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可通過硅的體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)獲得不同性能的Sip/Al復(fù)合材料，具有低的熱膨脹系數(shù)(CTE)(7～17 ppm/℃)、輕量化(最大比純鋁輕10%)、高的熱導(dǎo)率(最大可達(dá)180 W/(m·K))、好的導(dǎo)電性(具有優(yōu)異的電磁干擾/射頻干擾屏蔽性能)、高硬度(最大可達(dá)54 GPa·cm3/g)、優(yōu)良的熱機(jī)械穩(wěn)定性(最大可達(dá)500 ℃)、致密性高(氦泄漏率小于1×10-9Pa·m3/s)、容易機(jī)加工(硬質(zhì)合金刀具或金剛石刀具)、易鍍涂保護(hù)(可鍍Ni、Au、Ag、Sn等)、與標(biāo)準(zhǔn)的微電子組裝工藝相容(膠粘、錫焊、金絲鍵合、金帶鍵合、激光焊)等特點(diǎn)，能夠滿足電子封裝技術(shù)新發(fā)展的需求，成為國內(nèi)外電子封裝用金屬基復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)[2]。其中Al-50%Si合金的機(jī)加工性能相對較好，CTE為11 ppm/℃，相對較低，作為封裝殼體材料最有可能。

毫米波電路主要使用聚合物介質(zhì)微帶電路基板、陶瓷薄膜電路基板和LTCC基板作為電路板基材料。聚合物介質(zhì)微帶電路基板具有易于加工、成型，裝配難度較低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是基板面積較大，難以加工多層電路板。隨著現(xiàn)代軍事電子裝備對小型化的要求日益增強(qiáng)，越來越多的毫米波電路組件開始采用薄膜陶瓷、LTCC基板等新型電路基板，其中LTCC基板由于其優(yōu)異的高頻性能和多層基板的特性而被廣泛應(yīng)用于各類毫米波組件中，以達(dá)到提高電路精度、減小組件體積等目標(biāo)[3]。

LTCC材料的CTE通常為7 ppm/℃左右，與Al-50%Si合金的CTE相差4 ppm/℃左右。在組裝過程中基板與腔體間CTE的失配會引起層間剪切應(yīng)力而造成LTCC基板變形或碎裂。因此，在LTCC基板組裝過程中必須對CTE失配可能引起的質(zhì)量問題進(jìn)行評估，并采取相應(yīng)的工藝措施以確保微組裝的順利進(jìn)行和產(chǎn)品的長期可靠性[3]。

本文對Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板進(jìn)行了釬焊，測試了焊后以及溫度沖擊后的平面度，并對LTCC基板焊接開裂和電信號通斷進(jìn)行了檢測，研究它們的熱膨脹匹配性，為選用Al-50%Si合金作為封裝殼體材料提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)封裝殼體Al-50%Si合金的CTE為(12.1±1)ppm/℃，抗拉強(qiáng)度≥130 MPa，密度為(2.50 ± 0.05) g/cm3，其成分見表1。封裝殼體外形尺寸為120 mm × 65 mm × 9mm(長×寬×高)，內(nèi)腔尺寸為104mm×61mm×9 mm(長 × 寬 × 高)，封裝殼體三維立體示意圖如圖1所示。

1 Al-50%Si合金的成分 wt.%

SiAl雜質(zhì)含量50%±2%其他≤0．3%

圖1 Al-50%Si合金封裝殼體三維立體示意圖

試驗(yàn)用的LTCC電路基板外形尺寸為71 mm × 60 mm × 1.6 mm(長 × 寬 × 高)，CTE為(7.1±0.1) ppm/℃，LTCC電路基板三維立體示意圖如圖2所示。

圖2 LTCC電路基板實(shí)物示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

使用紅外熱風(fēng)回流焊設(shè)備(設(shè)備為德國埃莎公司的ERSA3/20型熱風(fēng)回流焊接設(shè)備)釬焊Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC電路基板制備樣品，焊料為183 ℃熔點(diǎn)63Sn37Pb焊料。接著開展3項(xiàng)測試試驗(yàn)，分別為：

1)采用三點(diǎn)法(用到的測試工具為：3個(gè)可調(diào)支撐和0.01 mm精度的杠桿百分表)測試樣品殼體底面的平面度，分析樣品變形程度；

2)通過江南光電廠的JSZ8型顯微鏡(最大放大倍數(shù)為300)觀察LTCC基板表面，檢查是否存在開裂現(xiàn)象；

3)采用德國ATG公司的A5S型飛針光板測試儀測試LTCC基板電路網(wǎng)絡(luò)是否與設(shè)計(jì)一致，判斷電路通斷是否完好。

然后把樣品放入重慶四達(dá)公司的CTS05F高低溫沖擊試驗(yàn)箱，完成500個(gè)周期循環(huán)的溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：按MIL-STD-810F503.4進(jìn)行試驗(yàn)；高溫71℃，低溫-51 ℃；保持時(shí)間為試件溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間；轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過1 min。完成溫度沖擊試驗(yàn)后，再次進(jìn)行以上3項(xiàng)測試試驗(yàn)。最后，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC電路基板的熱膨脹匹配性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 釬焊后樣品測試

2.1.1 變形程度

釬焊后樣品實(shí)物圖如圖3所示，殼體底面平面度測試結(jié)果為：1#樣品為0.32 mm，2#樣品為0.28 mm。在三點(diǎn)法測試試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)樣品底面變形沒有規(guī)律，是扭曲變形，有的部位表現(xiàn)出凸起，有的部位表現(xiàn)出內(nèi)凹?？煞ズ辖鸱庋b殼體與LTCC基板釬焊后殼體底面平面度一般為0.10 mm左右，而Al-50%Si合金封裝殼體底面的平面度數(shù)值較大，平均達(dá)到了0.30 mm。分析原因?yàn)椋嚎煞ズ辖鸬腃TE為4.7 ppm/℃，LTCC電路基板的CTE為7.2 ppm/℃，可伐合金為定膨脹合金，剛性好，CTE相對較小，伸縮量不大，而且與LTCC基板較為接近，在釬焊凝固冷卻過程中，殼體底面受LTCC基板的約束作用力不大，變形也不大，因此底面平面度能夠控制在0.10 mm左右；Al-50%Si合金的CTE為12.1 ppm/℃，與LTCC基板相差較大，而且鋁硅合金剛性差，在釬焊凝固冷卻過程中，封裝殼體底面快速收縮受到LTCC基板的約束，殼體底面面積較大，不同部位伸縮量不同，導(dǎo)致最終樣品完全冷卻后產(chǎn)生扭曲變形。

圖3 殼體與LTCC基板釬焊樣品

2.1.2 LTCC基板開裂檢查

LTCC基板具有較低的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，原因是玻璃含量高[4]，因此有必要對釬焊后LTCC基板是否開裂情況進(jìn)行檢查。在顯微鏡放大倍數(shù)60～300倍的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，仔細(xì)檢查了LTCC基板表面，重點(diǎn)檢查了圖2所示的LTCC的凹腔部位，因?yàn)檫@些部位是應(yīng)力最為集中的地方，與Al-50%Si合金封裝殼體釬焊時(shí)，在焊接應(yīng)力作用下，也最容易發(fā)生開裂，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)任何LTCC基板開裂現(xiàn)象，釬焊后LTCC凹腔部位見圖4。

圖4 釬焊后LTCC基板凹腔部位圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，LTCC基板面積較大(達(dá)到71 mm × 60 mm)，CTE與Al-50%Si合金封裝殼體相差較大，殼體底面變形大，但LTCC基板仍保持完好，沒有發(fā)生開裂，這對于Al-50%Si合金應(yīng)用于電子封裝殼體具有重大意義，因?yàn)檫@樣能保持電路的完整性。

2.1.3 LTCC電路基板通斷測試

飛針光板測試儀測試LTCC基板電路網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果為：所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)都導(dǎo)通，網(wǎng)絡(luò)間沒有短路，判斷電路網(wǎng)絡(luò)與設(shè)計(jì)一致，電路通斷完好。試驗(yàn)結(jié)果表明，LTCC基板內(nèi)部也保持完整，沒有開裂，雖然LTCC基板的CTE與Al-50%Si合金的CTE有一定的差異，但在71 mm × 60 mm面積范圍內(nèi)，釬焊產(chǎn)生的變形還不足以導(dǎo)致LTCC基板開裂并影響其可靠性。

2.2 溫度沖擊試驗(yàn)后樣品測試

2.2.1 變形程度

溫度沖擊試驗(yàn)后樣品殼體底面平面度測試結(jié)果為：1#樣品為0.30 mm，2#樣品為0.26 mm。從試驗(yàn)結(jié)果看，1#樣品和2#樣品的底面平面度基本保持不變，雖然經(jīng)過了500多個(gè)循環(huán)的溫度沖擊，釬焊后樣品的尺寸穩(wěn)定性好，LTCC基板基本不會受到熱應(yīng)力影響而開裂。這說明Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板的熱匹配性較好，LTCC電路基板封裝后工作可靠性高。

2.2.2 LTCC基板開裂檢查

溫度沖擊試驗(yàn)后樣品置于300倍放大倍數(shù)顯微鏡下檢查，LTCC基板表面、凹腔處都完好，沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板的熱匹配性好，沒有因?yàn)镃TE的差異而影響基板可靠性。

2.2.3 LTCC電路基板通斷測試

溫度沖擊試驗(yàn)后樣品的LTCC基板經(jīng)飛針測試儀測試，電路網(wǎng)絡(luò)完好，基板電路沒有發(fā)生破壞。

3 結(jié)束語

采用183 ℃熔點(diǎn)63Sn37Pb焊料對Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板進(jìn)行釬焊，當(dāng)釬焊面積達(dá)到71 mm × 60 mm時(shí)，殼體底面變形較大，最大平面度達(dá)到0.32 mm。Al-50%Si合金封裝殼體與LTCC基板的熱匹配性較好，在封裝殼體與LTCC基板釬焊的面積達(dá)到71 mm × 60 mm時(shí)，LTCC基板未出現(xiàn)裂紋。Al-50%Si合金是一種具有廣闊應(yīng)用前景的封裝材料。

[1] 任榕, 解啟林, 高永新, 等. 一種應(yīng)用于電子封裝的熱匹配工藝設(shè)計(jì)[J]. 電子工藝技術(shù), 2011, 32(3): 141-144.

[2] 朱小軍, 禹勝林, 嚴(yán)偉. 電子封裝用Sip/Al復(fù)合材料的研究應(yīng)用進(jìn)展[C]// 2009年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集, 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 220-225.

[3] 金珂. 毫米波LTCC基板組裝技術(shù)研究[J]. 中國科技信息, 2012(12): 179, 204.

[4] LICARI J J, ENLOW L R. 混合微電路技術(shù)手冊: 材料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)[M]. 朱瑞廉, 譯. 2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

秦 超(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事T/R組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Experiment of Thermal Matching between Al-50%Si Alloy Package Shell and LTCC Substrate

QIN Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Soldering is carried out between Al-50%Si alloy package shell and LTCC substrate. The flatness of the shell after soldering and experiment of temperature impact is tested, and the welding crack and the electrical signal of the substrate are detected. Thermal matching experiment results indicate good thermal matching between Al-50%Si alloy package shell and LTCC substrate. There is no cracking in LTCC substrate when the soldering area is up to 71 mm × 60 mm. Al-50%Si alloy as a packaging material has wide application prospects.

Al-50%Si alloy; LTCC; thermal matching

2015-07-15

TB333

A

1008-5300(2015)06-0044-03