电子封装用硅铝合金的cmt焊工艺研究(附件)【字数：11423】
摘 要摘 要由于高硅铝合金是一种轻质材料，且具有良好的导电性、低的热膨胀系数(CTE )、化学性质稳定、易于机加工等良好性能，在电子信息行业和航空航天中得到了广泛的应用。本文主要研究CMT焊接在不同的工艺参数条件下，对Al-30Si的高硅铝合金进行堆焊后的组织及力学性能的影响。本论文主要从焊缝的气孔缺陷、焊缝的微观组织、及力学性能等几个方面进行对比分析，判断在怎样的参数范围适合该材料。首先采用拉伸试验机对该高硅铝合金进行静态拉伸试验，力加载到一定程度，直接断裂，无屈服现象，表明该材料为脆性材料，得其抗拉强度和伸长率分别为193MPa、3.79%，测其硬度，得布氏硬度为141.9，表明该材料具有足够的强度，满足电子封装材料的机械支撑的要求。然后设定焊接的工艺参数，以一定的焊接速度为基础,改变送丝速度，取值在一定的范围内，进行焊接。首先拍摄超景深，发现焊缝表面有很多的孔洞缺陷，焊缝内的气孔主要沿着熔合线分布其周围，为典型的滞留型孔洞，气孔数多且大，焊缝中心的孔洞为滞留型孔洞，较小，计算其气孔分布率，发现工艺参数的送丝速度在2.5-3.0m/min左右,焊接速度在600-700mm/min时，焊缝的气孔率较小，当焊接速度为700mm/min,送丝速度为2.5m/min，气孔率最小为2.09%。选用金相显微镜分析焊缝组织形状及分布，发现热输入不同时，焊缝中心的组织也不同，当焊速为300mm/min时，送丝速度为2.5m/min时为胞状枝晶，为3.0m/min时为柱状晶，当送丝速度继续增大时，有硅晶体析出。对于HAZ来说，在相同的焊速条件下，随着送丝速度的增大，HAZ的组织变粗。对焊后材料进行断口分析，判断其断口为脆性断裂。综上所诉改变焊接的工艺参数，即改变热输入，可以减少焊缝的气孔率，当热输入值太大时，焊缝处会析出大量的硅晶体。关键字高硅铝合金；CMT焊；气孔率；送丝速度；焊缝；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 高硅铝合金 2
1.3 高硅铝合金的制备工艺 4
1.3.1 快速凝固粉末冶金(RS/PM） 4
1.3.2 喷射沉积 5
1.3.3 浸渗法 6
1.4 高硅铝合金的焊接方法 6
1.5 研究的目的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
8
1.6 本论文研究的内容 9
第二章 焊接的实验与方法 10
2.1 实验设计 10
2.2 实验准备 11
2.2.1 金相试样的制备 11
2.2.2 实验过程 12
2.3 实验器材 12
2.4 MATLAB软件 15
第三章 实验结果与分析 16
3.1 母材的微观分析 16
3.2 拉伸实验分析 17
3.3 焊缝的宏观分析 18
3.4 焊缝的微观分析 21
3.4.1 焊缝的金相分析 21
3.4.2 焊缝的气孔率 23
3.5 高硅铝合金CMT焊后的微观断口形貌分析 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪论
1.1 前言
进入21世纪，电子信息方面的科技得到迅猛发展，集成电路工艺及电子设备的均朝着大规模集成化，轻量化，高效率，低成本方向发展。电子封装工艺与制造，共同推动着信息化社会的发展[1]。为了满足现代电子设备的轻量化，高效率的要求，必须要求电子封装中的半导体集成度增加,和多芯片模块的制造工艺成熟，满足电子设备的便宜性，对封装材料的性能提出了更高的要求。高硅铝合金作为一种新型的电子封装材料，以其不同于传统的铸造工艺，基本满足了其要求。
在电子封装中，温度对电子元器件和组件的可靠性和电性能有着直接的影响，电子器件的复杂性和密杂性很容易使它的工作温度升高,而器件的相对空间很小，温度不易扩散，对芯片的寿命有着致命的伤害，有研究表明：温度每升高10℃ ,GaAs 或Si 半导体的寿命将缩短两倍[2]，单个元件的失效率与其工作的温度成指数关系，所以温度直接影响了电子设备的性能，电子封装材料的散热性能显得尤为重要。高硅铝合金作为一种新型的电子封装材料，由于合金的亮度，高导热性（可高达100w/Km多）和好的导电性，热膨胀系数很小，尺寸稳定和易与机械制造等优良性能，且铝、硅的原料在地球上含量丰富粉、Al粉的制备工艺成熟，对环境无污染，低成本，使得近年硅铝合金在航空航天的电子系统和空间技术中得到了广泛的应用，但高硅铝合金在焊接过程中，硅相会重新受热熔化再分布，组织会粗化。高硅铝合金中Al在空气中极易氧化在其表面，生成一层致密的氧化铝薄膜，其熔点为2300o[3]，比硅的熔点（1414o)还高，在焊接过程，当熔池内部的铝和硅已熔化成液态，而表面的Al2O3却未熔，阻碍了硅、铝的形核和生长，影响焊接的润湿性，而当表面氧化膜熔化时会突然造成的焊缝大面积的塌陷、烧穿。所以，研究怎样实现高硅铝合金之间、与其他封装材料之间的有效的焊接连接，提高焊接性能，降低生产成本，十分重要。
作为一种低成本，能严格控制弧长，以熔滴短路为信号的CMT焊接，研究CMT焊的不同参数对高硅铝合金的影响也是有一定的意义的。
1.2 高硅铝合金
理想的电子封装材料应满足以下性能要求：(1) 较低的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)，要求与Al２O３ 和GaAs 芯片的CTE相匹配，以避免CTE 相差过大，产生热应力，从而使集成电路芯片受到应力损伤，元件参数不稳；(2)较高的热导率(要求＞100 W/(mK))，能及时扩散组件的工作温度，保护芯片不因温度过高而失效；(3)较低的密度(＜3 g/cm3)，减轻器件的质量；(4)合理的比刚度，不会太过于硬，易与加工切削，且对机械部件起到稳定支撑和保护作用；(5)稳定的化学性质等要求，高硅铝合金基本满足以上要求[4]。
高硅铝合金中的Si含量一般为12—70，热膨胀系数在7.4和20×106/k之间，以便和不同的微电子设备和基板兼容,由于高硅铝合金的散热性能好，不需要配备专门的散热器，以除去有源器件产生的热量，减少了制造的成本和复杂性。对高硅铝合金加工操作时，不会产生零件毛刺，在与大多数其它金属对比，这避免了除去毛刺的相关操作。由于铝、硅是轻质金属，焊接区域，含有重金属，容易通过X射线发现，大大促进非破坏性检查环节.硅铝合金采用业界成熟的方法是可电镀的。由于铝、硅合金的环保性，可安全操作和使用，不会出现废弃处置问题。而且不含有关键性金属，如钴，钨和钼，所以合金是不容易受到价格波动的影响而出现供应短缺的问题。高硅铝合金具有热导性能好，比强度较高，通过镀金、银、铜、镍，来完善它的标准工艺，与基材可焊，易于精密机加工等优越性能，是一种应用前景广阔的电子封装材料, 特别是在航天航空、空间技术和便携式电子器件等高技术领域[5]。
高硅铝合金一般应用在：（1）半导体加工设备；（2）射频/微波封装材料和载波器；(3)散热片和散热器；(4)光学和电子光学外壳；（5）气体及其他传感器的载体；(6)层压印刷电路板的输送板；（7）印刷电路板的导向杆和嵌入式计算机产品[6]。由Osprey金属公司研发出的轻质CE系列(Controlled Expansion)的高硅铝基电子封装材料，在航空航天中有广泛的应用。其中CE17M级合金（含有少量的铁，镁，锰，以提高它的硬度和可加工性），价格是W50Cu的四分之一，重量却是它的六分之一，常被用作导电条被用于飞机的PCB板和计算机产品，作为替代W50Cu相关的制造。CE7合金的密度为2.4 g/cm3，比纯铝轻15%；比刚度为53 M Pacm3/g，是Kovar合金的3倍、Cu75W合金的3.5倍。其中CE7和CE9合金由于CTE与其CTE与电路板和组件的CTE匹配度高，其导热性高，密度低，气密性好，尺寸稳定和易于加工，无毛刺，被广泛应用于阴极射频(RF)、微波封装和航空航天飞行器的电子系统中[7]。CE7光学壳体如图12，形成一个高速的MEMS开关装置，包括一系列的这些模块陈列，都广泛的应用在航空航天电子系统组件上。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 高硅铝合金 2
1.3 高硅铝合金的制备工艺 4
1.3.1 快速凝固粉末冶金(RS/PM） 4
1.3.2 喷射沉积 5
1.3.3 浸渗法 6
1.4 高硅铝合金的焊接方法 6
1.5 研究的目的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
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1.6 本论文研究的内容 9
第二章 焊接的实验与方法 10
2.1 实验设计 10
2.2 实验准备 11
2.2.1 金相试样的制备 11
2.2.2 实验过程 12
2.3 实验器材 12
2.4 MATLAB软件 15
第三章 实验结果与分析 16
3.1 母材的微观分析 16
3.2 拉伸实验分析 17
3.3 焊缝的宏观分析 18
3.4 焊缝的微观分析 21
3.4.1 焊缝的金相分析 21
3.4.2 焊缝的气孔率 23
3.5 高硅铝合金CMT焊后的微观断口形貌分析 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪论
1.1 前言
进入21世纪，电子信息方面的科技得到迅猛发展，集成电路工艺及电子设备的均朝着大规模集成化，轻量化，高效率，低成本方向发展。电子封装工艺与制造，共同推动着信息化社会的发展[1]。为了满足现代电子设备的轻量化，高效率的要求，必须要求电子封装中的半导体集成度增加,和多芯片模块的制造工艺成熟，满足电子设备的便宜性，对封装材料的性能提出了更高的要求。高硅铝合金作为一种新型的电子封装材料，以其不同于传统的铸造工艺，基本满足了其要求。
在电子封装中，温度对电子元器件和组件的可靠性和电性能有着直接的影响，电子器件的复杂性和密杂性很容易使它的工作温度升高,而器件的相对空间很小，温度不易扩散，对芯片的寿命有着致命的伤害，有研究表明：温度每升高10℃ ,GaAs 或Si 半导体的寿命将缩短两倍[2]，单个元件的失效率与其工作的温度成指数关系，所以温度直接影响了电子设备的性能，电子封装材料的散热性能显得尤为重要。高硅铝合金作为一种新型的电子封装材料，由于合金的亮度，高导热性（可高达100w/Km多）和好的导电性，热膨胀系数很小，尺寸稳定和易与机械制造等优良性能，且铝、硅的原料在地球上含量丰富粉、Al粉的制备工艺成熟，对环境无污染，低成本，使得近年硅铝合金在航空航天的电子系统和空间技术中得到了广泛的应用，但高硅铝合金在焊接过程中，硅相会重新受热熔化再分布，组织会粗化。高硅铝合金中Al在空气中极易氧化在其表面，生成一层致密的氧化铝薄膜，其熔点为2300o[3]，比硅的熔点（1414o)还高，在焊接过程，当熔池内部的铝和硅已熔化成液态，而表面的Al2O3却未熔，阻碍了硅、铝的形核和生长，影响焊接的润湿性，而当表面氧化膜熔化时会突然造成的焊缝大面积的塌陷、烧穿。所以，研究怎样实现高硅铝合金之间、与其他封装材料之间的有效的焊接连接，提高焊接性能，降低生产成本，十分重要。
作为一种低成本，能严格控制弧长，以熔滴短路为信号的CMT焊接，研究CMT焊的不同参数对高硅铝合金的影响也是有一定的意义的。
1.2 高硅铝合金
理想的电子封装材料应满足以下性能要求：(1) 较低的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)，要求与Al２O３ 和GaAs 芯片的CTE相匹配，以避免CTE 相差过大，产生热应力，从而使集成电路芯片受到应力损伤，元件参数不稳；(2)较高的热导率(要求＞100 W/(mK))，能及时扩散组件的工作温度，保护芯片不因温度过高而失效；(3)较低的密度(＜3 g/cm3)，减轻器件的质量；(4)合理的比刚度，不会太过于硬，易与加工切削，且对机械部件起到稳定支撑和保护作用；(5)稳定的化学性质等要求，高硅铝合金基本满足以上要求[4]。
高硅铝合金中的Si含量一般为12—70，热膨胀系数在7.4和20×106/k之间，以便和不同的微电子设备和基板兼容,由于高硅铝合金的散热性能好，不需要配备专门的散热器，以除去有源器件产生的热量，减少了制造的成本和复杂性。对高硅铝合金加工操作时，不会产生零件毛刺，在与大多数其它金属对比，这避免了除去毛刺的相关操作。由于铝、硅是轻质金属，焊接区域，含有重金属，容易通过X射线发现，大大促进非破坏性检查环节.硅铝合金采用业界成熟的方法是可电镀的。由于铝、硅合金的环保性，可安全操作和使用，不会出现废弃处置问题。而且不含有关键性金属，如钴，钨和钼，所以合金是不容易受到价格波动的影响而出现供应短缺的问题。高硅铝合金具有热导性能好，比强度较高，通过镀金、银、铜、镍，来完善它的标准工艺，与基材可焊，易于精密机加工等优越性能，是一种应用前景广阔的电子封装材料, 特别是在航天航空、空间技术和便携式电子器件等高技术领域[5]。
高硅铝合金一般应用在：（1）半导体加工设备；（2）射频/微波封装材料和载波器；(3)散热片和散热器；(4)光学和电子光学外壳；（5）气体及其他传感器的载体；(6)层压印刷电路板的输送板；（7）印刷电路板的导向杆和嵌入式计算机产品[6]。由Osprey金属公司研发出的轻质CE系列(Controlled Expansion)的高硅铝基电子封装材料，在航空航天中有广泛的应用。其中CE17M级合金（含有少量的铁，镁，锰，以提高它的硬度和可加工性），价格是W50Cu的四分之一，重量却是它的六分之一，常被用作导电条被用于飞机的PCB板和计算机产品，作为替代W50Cu相关的制造。CE7合金的密度为2.4 g/cm3，比纯铝轻15%；比刚度为53 M Pacm3/g，是Kovar合金的3倍、Cu75W合金的3.5倍。其中CE7和CE9合金由于CTE与其CTE与电路板和组件的CTE匹配度高，其导热性高，密度低，气密性好，尺寸稳定和易于加工，无毛刺，被广泛应用于阴极射频(RF)、微波封装和航空航天飞行器的电子系统中[7]。CE7光学壳体如图12，形成一个高速的MEMS开关装置，包括一系列的这些模块陈列，都广泛的应用在航空航天电子系统组件上。
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