稀有金属 2010,34(05),633-637
喷射成形硅铝电子封装材料的电镀及钎焊性能
李志辉 张永安 熊柏青 刘红伟 魏衍广 张济山
北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室
北京科技大学新金属材料国家重点实验室
摘 要:
喷射成形高硅铝合金材料因具有低热膨胀系数、高热导率和低密度等特性,而成为一种具有广阔应用前景的新型电子封装材料。然而,喷射成形硅铝系合金中硅含量很高,其焊接性能较差。采用镀金、钎焊的方法研究了喷射成形硅铝合金材料的电镀及焊接性能;用扫描电镜对镀层及钎焊层形貌进行观察,用能谱仪对镀层及焊接层进行成分线扫描分析。结果表明,喷射成形硅铝合金材料易于电镀,电镀后镀层致密、均匀,与基体之间结合良好;焊接之前对喷射成形硅铝合金进行电镀可改善其与焊料之间的润湿性,材料焊接性能得以显著改善,可满足电子技术行业对封装材料的焊接工艺性能要求。
关键词:
电子封装 ;硅铝合金 ;电镀 ;钎焊 ;喷射成形 ;
中图分类号: TN04
作者简介: 李志辉(1980-),男,江西临川人,博士,高级工程师;研究方向:铝合金与非平衡制备技术,通讯联系人,(E-mail:Lzh@grinm.com);
收稿日期: 2009-08-08
基金: 国家“863”计划项目资助(2007AA03Z515); 新金属材料国家重点实验室开放基金资助项目;
Plating and Brazing Performance of Spray-Formed Si-Al Materials for Electronic Packaging
Abstract:
Spray-formed Si-Al alloys were one kinds of the novel electronic packaging materials due to their lower thermal expansion coefficients,high heat conductivity and lower density,which made it an extensive prospect for application.Unfortunately,the brazing performance of Si-Al series alloys was found to be very poor due to very high silicon content.The plating and brazing performance of spray-formed Si-Al Materials were studied.Scanning electron microscopy was used to characterize the morphologies of the plating and brazing coating,and spectroscopy was employed to measure the elements and composition of the plating and brazing coating based on line scanning.The results showed that the alloy could be plated easily,and the plating film was very homogeneous and dense,which combined with the primary silicon or aluminium matrix well.Gold-plating could improve the brazing wettability between the mother metal and the solder,and the microstructure of the weld joint was very fine and distributed homogeneously.Therefore,the brazing performance of spray-formed Si-Al alloys could be improved significantly,which could meet the demand of electronic packaging applications.
Keyword:
electronic packaging;Si-Al alloy;plating;brazing;spray forming;
Received: 2009-08-08
电子封装技术是伴随着微电子技术的发展而发展起来的, 电子封装的主要作用是为精细电子线路提供机械支撑以及作为导电连接介质, 在微电子技术的发展中占有不可或缺的重要地位
[1 ,2 ]
。 近年来, 微电子技术的迅速发展对电子封装材料的性能提出了更高的要求
[3 ,4 ,5 ]
。 热膨胀、 散热和轻量化是发展现代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素, 理想的先进电子封装材料应该具有与砷化镓和硅等典型半导体材料相匹配, 或略高的热膨胀系数(<(7~9)×10-6 K-1 )、 高的热传导率(>100 W·(m·K)-1 )和低密度(<3 g·cm-3 )。 此外, 还应具有合理的刚度(>100 GPa), 可以为对机械作用敏感的部件和基板提供足够的机械支撑。 它还应具备易于进行精密加工成形、 可电镀涂装以及可焊接等其他封装工艺性能
[6 ]
。 传统封装材料, 如Invar, Kovar, BeO等均难以满足现代电子技术发展的新需求。 硅铝合金已被证明是一个综合性能满足先进电子封装要求的材料体系
[7 ,8 ,9 ]
。 近年来, 硅铝合金的快速凝固制备技术, 如喷射成形
[10 ,11 ,12 ,13 ,14 ]
, 粉末冶金
[15 ,16 ]
技术的研究工作十分活跃, 已有的工作表明, 快速凝固高硅铝合金因具有低的热膨胀系数、 高的热导率和低的密度而成为具有广阔应用前景的一种新型电子封装材料。 然而, 与成熟的电子封装材料相比, 快速凝固硅铝合金材料虽然在热膨胀、 散热和轻量化等方面具备了很好的性能优势, 但至今仍未获得实际应用。 这是由于一方面快速凝固制备硅铝电子装材料的工艺成熟度及经济性还有待改善, 更为重要的是由于相关研究工作不够充分导致材料的封装工艺及实际应用性能不能满足要求。 焊接性是封装材料能否获得实际应用的关键工艺性能。 然而, 由于喷射成形硅铝电子封装材料中的硅含量很高, 一般为50%~70%(质量分数), 合金中大量硅的存在致使其与焊料的润湿性较差, 直接进行焊接较为困难。 通常, 在电子封装行业中对基板材料进行电镀是为了改善其与半导体原件之间的焊接性能以便提高其电导率和便于引线键合。 因此, 本文针对前期获得的具有优良热膨胀、 散热和密度性能的喷射成形硅铝电子封装材料开展电镀涂装、 焊接性能研究, 探索有利于改善硅铝合金材料封装工艺性能的方法途径, 积累新型喷射成形硅铝合金电子封装材料的应用研究数据, 为新材料的实际推广应用奠定基础。
1 实 验
1.1 实验材料
试验用料为北京有色金属研究总院喷射成形(50%~70%)Si-Al合金沉积坯件, 对其进行热压处理以提高材料的致密度, 对热压致密化后的坯料进行机加工及表面研磨制备出用于电镀涂装及焊接研究所需的热沉片。
1.2 电镀
喷射成形硅铝合金热沉片的电镀工艺流程如图1所示。 因为铝是两性金属, 因此先用有机溶剂(航空汽油或甲苯、 丙酮)除油, 再用中性化学去油。 浸蚀(出光)用酸要加HF, 时间一般需控制在15 s以内。 鉴于高硅铝合金中硅含量较高, 硅的导电性能不好, 预镀镍时采用化学镀镍的方法, 并选用中磷低应力镍配方, 退火在氢气中随炉升降温, 450 ℃保温2 min以充分地消除底镀层的应力, 增强和基体金属的结合力。 为防止酸洗活化造成基材中的Al被深度腐蚀, 故退火出炉后应立即再次化学镀镍(<5 min), 随后在依次进行直接电镀低应力镍、 预镀金、 镀金, 退火(450 ℃)等工序。 镀金溶液选择中性柠檬酸盐体系。
1.3 钎焊
焊料采用锡铅合金, 对经电镀后的喷射成形硅铝合金热沉片进行钎焊。
1.4 组织观察
材料镀层及焊接界面的组织观察及线扫描能谱分析在Cambridge-S250型扫描电子显微镜及其附带的能谱仪上进行。
图1 电镀工艺流程图
Fig.1 Flow chart of gold-plating
2 结果与讨论
2.1 喷射成形Si-Al合金的电镀性能
图2所示为喷射成形硅铝合金热沉片镀金后的实物照片。 由图可以看出, 宏观上镀层表面均匀, 无外观缺陷, 镀层质量按GJBl420A进行检验, 检验结果表明镀层不变色, 不起皮, 不起泡。 按GJB548-1041规定对镀金热沉片进行检漏(吸附)检验, 经加压抽真空细检, 发现漏率Rl ≤5×10-3 Pa·cm3 ·s-1 , 完全满足标准要求。
图2 喷射成形硅铝合金热沉片电镀后的实物照片
Fig.2 Entity photo of heat sink of spray-formed Si-Al alloys after gold-plating
图3是喷射成形硅铝合金热沉片镀金后镀层SEM照片。 可以看出, 镀金层的微观组织较为均匀, 无明显的微观缺陷, 说明镀层完整、 均匀。 图4喷射成形硅铝合金镀金后的镀层界面形貌及其线扫描能量分析结果。 由图可知, 镍层和初生硅相及铝相结合良好, 镍层和金层之间结合良好, 没有疏松缺陷。 镍层的厚度大约在2~10 μm之间, 由线扫描分析结果可知, 和初生硅相结合的镍层厚度较小, 如图4(a)所示; 而镍层和铝相结合厚度相对较大, 如图4(c)所示。 金层的厚度大约在2~4 μm之间。 镍层和初生硅相和铝相之间由于原子的扩散形成了一个厚度约为2 μm的扩散层, 金层和镍层之间由于原子的扩散有一个厚度大约在1~3 μm之间的扩散层, 这说明镀层和基体之间结合良好。 由此可见, 在电镀工艺条件较为合适的前提下, 喷射成形Si-Al合金具有较好地可电镀特性。
图3 喷射成形硅铝合金热沉片镀金后SEM照片
Fig.3 SEM micrograph of spray-formed Si-Al alloy after gold-plating
图4 喷射成形硅铝合金热沉片镀层的SEM照片
Fig.4 SEM images of gold-plating of spray-formed Si-Al alloy
(a)Plating film combined with the silicon;(b)Line scanning result of Fig.4(a);(c)Plating film combined with the aluminum matrix;(d)Line scanning result of Fig.4(c)
2.2 喷射成形Si-Al合金的钎焊性能
对电镀后的喷射成形Si-Al合金热沉片进行钎焊试验, 焊接后的钎焊层形貌如图5所示。 可见, 电镀后的热沉片很容易浸润和焊接, 焊缝组织致密, 无明显的孔洞和裂纹缺陷存在。 图6所示为钎焊层的界面形貌及能量线扫描结果, 可以看出, 焊接相和热沉片结合良好, 由于锡原子或铅原子与金原子之间互相扩散, 它们之间形成了一层厚度约为6~9 μm的扩散层, 这个扩散层使得两相之间结合牢固。
图5 喷射成形硅铝合金钎焊层的形貌照片
Fig.5 SEM photographs of brazing coating of spray-formed Si-Al alloy (a) Low-magnification; (b) High-magnification
图6 喷射成形Si-Al合金钎焊层的SEM照片
Fig.6 SEM images of brazing coating of spray-formed Si-Al alloy
(a)SEMimage of welding seam;(b)Line scanning result of Fig.6(a);(c)SEMimage of welding seam;(d)Line scanning result of Fig.6(c)
3 结 论
1. 在电镀工艺方案较为合适的前期下, 喷射成形Si-Al合金具有较好地可电镀特性; 镀层致密、 均匀, 与基体之间结合良好。
2. 焊接之前对喷射成形硅铝合金进行镀金可改善其与焊料之间的润湿性, 材料焊接性能得以显著改善; 焊接过程中锡原子或铅原子与金原子之间互相扩散形成了厚度约为6~9 μm的扩散层, 使得焊接相和热沉片结合良好, 焊缝组织致密。
3. 喷射成形新型Si-Al合金材料易于电镀和焊接, 可满足电子技术行业对封装材料的工艺性能要求。
参考文献
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