徐　驍，劉　艷，陳潔民，程　凱

（南京電子器件研究所，南京210016）

封裝、組裝與測試

電子封裝用硅鋁合金激光氣密焊接研究

徐驍，劉艷，陳潔民，程凱

（南京電子器件研究所，南京210016）

對電子封裝用硅鋁合金焊接材料的裂紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行簡要的分析。針對其焊接后極易開裂的現(xiàn)象，通過對硅鋁合金的激光焊接工藝參數(shù)和焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得漏率R1小于5×10-9Pa·m3/s （He）的封裝器件。氣密性成品率高于95%，且通過按GJB548B-2005方法1010.1條件B的100次溫循等可靠性試驗(yàn)。

硅鋁合金；氣密封裝；激光焊接

1　引言

航空航天用微波組件正朝著大功率、輕量化和高性能方向發(fā)展，硅鋁合金因其密度低，熱膨脹系數(shù)與微波組件內(nèi)部的芯片、基板相匹配，散熱性能優(yōu)良，機(jī)械加工性能良好等特點(diǎn)，替代了比重大或者導(dǎo)熱性差的可伐合金及銅鎢合金等［1］，成為了航空航天用微波組件的主要材料。

為了提高微波組件在航空、航天和海上應(yīng)用的可靠性，必須進(jìn)行氣密性封裝。激光焊接由于具有能量密度高、熱影響區(qū)小、焊縫窄、非接觸焊接能適應(yīng)較復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)和易于拆蓋返修等優(yōu)點(diǎn)［2］，是目前硅鋁合金氣密封裝最常用的焊接方法。但硅鋁合金材料內(nèi)部存在大量脆性塊狀硅相，在焊接過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在脆性相處容易引起開裂，一般硅含量超過50%后焊接裂紋將難以避免，焊接后出現(xiàn)貫穿至芯腔的裂紋，造成封裝組件的密封失效［3］。焊后開裂漏氣是此前掣肘硅含量超過50%硅鋁合金批量化生產(chǎn)應(yīng)用的主要原因。

本文從電子封裝用硅鋁合金應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，采用激光焊接技術(shù)，對硅含量為27%和50%的硅鋁合金進(jìn)行封裝。針對焊接裂紋形成機(jī)理，采用焊接結(jié)構(gòu)及工藝同時(shí)優(yōu)化的方式，獲得漏率R1小于5×l0-9Pa·m3/s （He）的封裝，并進(jìn)行溫循、恒定加速度等可靠性試驗(yàn)。

2　電子封裝用硅鋁合金應(yīng)用現(xiàn)狀

英國Osprey公司率先采用噴射沉積和熱等靜壓工藝成功制備了硅鋁合金材料，通過控制硅含量，形成了熱膨脹系數(shù)CTE為（7～17）×l0/K的系列硅鋁合金材料，稱為CE合金［4］，其物理性能參數(shù)見表1。

我國電子封裝用硅鋁合金部分物理性能參數(shù)見表2，光學(xué)顯微組織見圖1。

表1　英國Osprey公司主要硅鋁合金的物理性能［4］

表2　國內(nèi)部分硅鋁合金的物理性能

圖1　CE17與CE11光學(xué)顯微組織對比

3　電子封裝用硅鋁合金焊接材料選擇

電子封裝用硅鋁合金主要需要滿足以下要求：熱膨脹系數(shù)與微波組件內(nèi)部的芯片、基板相匹配，散熱性能優(yōu)良，機(jī)械加工性能好，可焊接性好，以此來適應(yīng)微波組件的需求。

封裝殼體材料的選擇對微波組件的整體性能非常重要。一般選用CE17作為蓋板材料，選用CE11作為殼體材料。CE11合金較CE17合金而言，硅含量增加，鋁基體上面的顆粒狀硅相尺寸增大。研究表明［3］，硅鋁合金的強(qiáng)度和塑性取決于鋁基體的強(qiáng)度以及塑性粒子硅的尺寸，硅鋁合金隨粒子硅含量的增加由以鋁基體相的韌性斷裂為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤Ｗ庸璧拇嘈詳嗔褳橹?，故硅鋁合金中的硅含量越高，焊接時(shí)越容易出現(xiàn)裂紋。而當(dāng)硅含量降低時(shí)，熱膨脹系數(shù)增大，與芯片、基板越不匹配，故含硅量低的硅鋁合金不宜用作與芯片、基板直接粘接/焊接部位的殼體材料。

雖然CE17與CE17激光氣密焊接非常容易實(shí)現(xiàn)，但一般只使用CE17作為蓋板材料，因其熱膨脹系數(shù)較高，與芯片、基板不匹配，很少用作殼體材料。也不同時(shí)使用CE11作為蓋板和殼體材料，因母材中硅含量超過50%時(shí)激光焊接后出現(xiàn)裂紋傾向增大，難以實(shí)現(xiàn)氣密封裝。綜合考慮材料的焊接性及熱匹配性，采用激光焊接的微波組件蓋板材料一般選用焊接性較好的CE17，殼體材料選用熱膨脹系數(shù)較低的CE11。

4　硅鋁合金激光焊接缺陷類型及裂紋產(chǎn)生機(jī)理

4.1硅鋁合金激光焊接缺陷類型

微波組件的焊接一般采用波長為1064 nm的脈沖式Nd:YAG激光。在激光焊接過程中，一般脈沖激光每個(gè)脈沖的周期約100 ms，脈沖寬度（激光作用時(shí)間）一般為幾毫秒，每個(gè)周期的加熱時(shí)間不到十分之一，其余時(shí)間自然冷卻。脈沖激光對每個(gè)焊點(diǎn)產(chǎn)生加熱作用后自然冷卻，在加熱和冷卻的過程中兩種材料存在熱膨脹系數(shù)差異、急速溫度變化，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于硅鋁合金材料內(nèi)部存在大量脆性塊狀粒子硅，在應(yīng)力的作用下，易發(fā)生破碎，形成裂紋。硅鋁合金中脆性相分布廣泛，塑性較差，裂紋極易擴(kuò)展，形成貫穿性裂紋。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫裂紋主要以下面兩種形式存在：（1）沿焊接方向焊縫中間裂紋，如圖2所示；（2）沿焊縫外邊沿的裂紋，如圖3所示。

4.2硅鋁合金激光焊接裂紋產(chǎn)生機(jī)理

4.2.1焊縫中間裂紋

圖2　焊縫中間裂紋

焊縫中間裂紋一般為結(jié)晶裂紋。在結(jié)晶過程中，低熔點(diǎn)晶體呈液態(tài)薄膜狀態(tài)散布在先結(jié)晶的高熔點(diǎn)晶體表面，割斷了一些晶粒之間的聯(lián)系。在冷卻收縮所引起的拉伸應(yīng)力作用下，液態(tài)薄膜承受不住拉應(yīng)力的作用，在晶粒邊界處分離形成結(jié)晶裂紋。影響結(jié)晶裂紋的因素可以從冶金和力學(xué)兩方面進(jìn)行分析［6］：

從焊接物理冶金角度來看，當(dāng)焊接功率密度較低時(shí)，焊接熱輸入小，導(dǎo)致熔池尺寸較小、熔池深度較淺。同時(shí)，與焊縫接壤的母材因過熱程度小，使得液相金屬的溫度梯度加大，冷卻速度加快。焊縫中心還未來得及完全熔合，邊緣就已經(jīng)開始結(jié)晶，結(jié)晶的方向性較強(qiáng)，在結(jié)晶后期焊縫中心容易形成連續(xù)的液態(tài)薄膜，液態(tài)薄膜在凝固過程中受拉開裂。

從力學(xué)因素角度來看，焊接結(jié)晶裂紋具有高溫沿晶斷裂性質(zhì)。發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)所發(fā)生的塑性應(yīng)變量，即：

式中ε為高溫階段晶間發(fā)生的塑性應(yīng)變量；δmin為高溫階段晶間允許的最小變形量。

ε是焊縫金屬在高溫時(shí)受各種應(yīng)力綜合作用下所引起的應(yīng)變，如熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、拘束力等。諸如焊縫間隙、焊接能量等因素都會(huì)影響ε的大小。

在硅鋁合金激光焊接過程中很少會(huì)出現(xiàn)焊縫中心裂紋，出現(xiàn)更多的是焊縫外邊沿裂紋。

4.2.2焊縫外邊沿的裂紋

當(dāng)對硅鋁殼體（CE11）與蓋板（CE17）進(jìn)行焊接時(shí)，裂紋常出現(xiàn)在焊縫外邊沿，靠近富含硅的CE11一側(cè)（見圖3）。

從組織形態(tài)和力學(xué)角度看，當(dāng)焊接能量過大時(shí)，形成的熱影響區(qū)較大，熱影響區(qū)邊緣的粒子Si由于急速冷卻時(shí)積聚的收縮應(yīng)力超過其塑性形變極限，微觀上硅晶粒受拉發(fā)生穿晶斷裂，宏觀上表現(xiàn)為沿焊縫邊緣靠近殼體墻壁的位置開裂。

圖3　焊縫邊沿外的裂紋

5　焊縫裂紋的解決途徑

針對焊縫中間出現(xiàn)裂紋的情況，上面分析是由焊接功率密度較低、焊接熱輸入較小導(dǎo)致，一般通過增加激光功率密度（增大功率或減小激光離焦量）即可避免。而焊縫邊緣裂紋有以下兩種解決方法［3］：

（1）對于可調(diào)波形的激光焊接設(shè)備，通過波形設(shè)置（見圖4），使焊接過程呈預(yù)熱-熔化-退火狀態(tài)，通過緩慢加熱、緩慢冷卻的方式降低焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而避免硅晶粒發(fā)生斷裂并導(dǎo)致殼體開裂。

圖4　脈沖波形

（2）對于不可調(diào)節(jié)波形的激光焊接設(shè)備（預(yù)設(shè)脈沖方波，不可調(diào)節(jié)），可以通過將焊接熱影響區(qū)移至殼體邊緣（即減小殼體焊接位置壁厚，如圖5所示），消除熔池凝固收縮過程的約束。由于減小壁厚等同于減少散熱途徑，進(jìn)而降低水平方向的傳熱速率，從而降低冷卻時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，減小了應(yīng)力對焊縫的破壞。因此壁厚越小焊接成品率越高，當(dāng)壁厚減小至0.6 mm時(shí)只需要很小的能量密度即可實(shí)現(xiàn)良好的焊接。但是減小壁厚的這種方法在實(shí)際應(yīng)用過程中是嚴(yán)重受限的，因?yàn)榇朔椒〞?huì)帶來一系列問題，例如機(jī)械加工成品率低［7］、在殼體尺寸較大的情況下，在檢漏加壓過程中會(huì)出現(xiàn)硅鋁殼體開裂。另外，結(jié)合生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)焊縫結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，在焊接過程中也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由應(yīng)力引起的殼體開裂。

圖5　殼體結(jié)構(gòu)調(diào)整

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整激光焊接設(shè)備的波形以及合理設(shè)計(jì)殼體焊接位置處的厚度，在合理的功率密度下進(jìn)行激光焊接，可以得到比較理想的結(jié)果。

本試驗(yàn)中，蓋板材料選用CE17、殼體材料選用CE11，蓋板厚度為1.5 mm，殼體焊接位置處壁厚設(shè)計(jì)為0.8 mm，蓋板與殼體的單邊配合間隙小于0.06 mm，結(jié)合圖4所呈漸變脈寬波形，選用工藝參數(shù)如表3所示，獲得了漏率R1小于5×10-9Pa·m3/s（He）、氣密性成品率高于95%的封裝。

表3　典型焊接工藝參數(shù)

6　可靠性試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證對硅鋁合金封裝采用上述焊接結(jié)構(gòu)及工藝后的可靠性，取5件樣品進(jìn)行激光焊接，焊接后針對這5件樣品進(jìn)行溫循、恒定加速度、正弦振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)濕熱、熱真空、檢漏等試驗(yàn)，考察硅鋁合金激光密封的管殼在溫度、力學(xué)等應(yīng)力下是否受到影響而出現(xiàn)漏氣等，以檢驗(yàn)激光焊接后硅鋁殼體的密封性是否滿足要求。試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4　試驗(yàn)條件及標(biāo)準(zhǔn)

7　結(jié)論

（1）受到脈沖激光的影響，焊縫熱影響區(qū)在焊接過程中產(chǎn)生了應(yīng)力，硅晶粒受到應(yīng)力的作用發(fā)生穿晶斷裂。對硅鋁合金殼體焊接處壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)通過激光波形等焊接參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，使焊接過程呈預(yù)熱-熔化-退火狀態(tài)，可以有效避免裂紋的產(chǎn)生。

（2）硅鋁合金激光氣密焊接工藝因其可靠性高、密封成品率高于95%、漏率滿足國軍標(biāo)GJB 548B-2005方法1014.2條件A1要求，已被用于新型微波組件的封裝，并實(shí)現(xiàn)了批量化應(yīng)用。

［1］解立川，彭超群，王日初，王小鋒，蔡志勇，劉兵.高硅鋁合金電子封裝材料研究進(jìn)展 ［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22（9）：2578-2587.

［2］王家淳.激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望 ［J］.激光技術(shù)，2001，2（1）：48-53.

［3］Stuart W，Andrew O，David C.High Performance，Lightweight，HermeticAlSiPackagesforMilitary，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.

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

［5］郝新鋒，朱小軍，嚴(yán)偉.電子封裝用硅鋁合金的應(yīng)用研究［J］.電子機(jī)械工程，2013，29（4）：48-51.

［6］陳祝年.第四章，焊接工程師手冊［M］.184-185.

［7］高鍵，楊小衛(wèi)，王天石.硅鋁合金銑削技術(shù)研究［J］.金屬加工，2014，11：44-45.

Research of Packaging-used Silumin Alloys in Hermetic Laser Welding

XU Xiao，LIU Yan，CHEN Jiemin，CHENG Kai
（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016，China）

By analyzing the crack formation mechanism of laser welding aluminum-silicon alloy in electric packaging field，the paper optimizes the welding parameters and structureand obtains packages with the yield of hermetic higher than 95%and the leakage rate less than 5×l0-9Pa·m3/s.The packages obtained also pass the high-reliable tests including 100 times temperature cycle in the condition B of method 1010.1 according to GJB548B-2005.

silumin alloys；hermetic package；laser welding

TN305.94

A

1681-1070（2016）08-0001-04

2016-4-18

徐驍（1990—），男，江蘇鹽城人，在職研究生，助理工程師，主要從事電子封裝技術(shù)研究。