X波段功率放大器封装外壳焊接性研究

0 前言

随着X波段功率放大器的广泛应用，人们对其效率、重量、可靠性等提出了更高的要求，封装时对封装外壳材料的导热率要求较高；同时由于对小型化、轻量化的要求也较高，因此，对封装外壳的密度要求也较高。另外，由于X波段功率放大器封装时组装了陶瓷基板，其热胀系数较小，这就要求电子封装材料的热胀系数必须较小。可同时满足以上所有特性的封装材料很少，铝－硅复合材料可以同时满足以上应用［1－3］，但目前铝－硅复合材料的表面焊接性镀金工艺还不稳定。很多研究人员都对该问题展开了研究，李忠辉等人［4］对喷射成形硅铝（50%～70%）Si－Al电子封装材料进行了焊接性电镀及钎焊性能研究，选择了镀金层作为焊接性镀层，钎焊过程中钎料与表面镀层之间互相扩散形成了厚度约为6～9μm的扩散层。研究文献［5］表明，采用喷射沉积工艺制备的硅铝（50%～70%）Si－Al电子封装材料，因其组织均匀、Si相颗粒细小，具有较低的热膨胀系数和密度，较高的热导率和刚度，以及良好的热机械稳定性；但研究中发现，Si－Al复合材料中由于存在大量硅，其与软钎料（如Sn－3.0 Ag－0.5Cu）的润湿性很差，在电子封装行业中通常需要电镀改善其与半导体器件之间的焊接性能［6］。白晓婧等人［7］研究中综合分析硅铝复合材料中：Al易与氧气反应生成三氧化二铝，同时Al的电极电位很低，电镀中易与许多金属离子发生置换反应，置换产物应易清除，以活化Al－Si复合材料的表面状态；故采用在Al－Si复合材料基体上化学浸锌预处理后再电镀Ni镀层的工艺方法，有效地改善了Al－Si复合材料的钎焊性能。论文从材料方面对该问题进行系统研究，为铝－硅复合材料的工程应用提供了技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

壳体材料为Al Si50%；电镀溶液组成为浓度500 mL／L的 HCL；稳定剂SNR－3B浓度为400 mL／L；光亮剂SNR－3A浓度为20 mL／L；阳极板为Au板。镀金设备采用自制、手工电镀槽，温度20～25℃。焊接性测试设备采用法国METRONELEC公司产品 ，型号是ST88。

④Ruggie J．G．，“International regimes，transactions，and change:Embedded liberalism in the postwar economic order”，International Organization，1982，36(2)，pp．379 ～415．

1.2 试验方法

对镀层形貌的试验试验参数见表1，镀金层质量，通过扫描电子显微镜（SEM）检查镀层的表面形貌，扫描电子显微镜型号S－520，加速电压是1.5 k V。

表1 镀层形貌的试验参数

样品号 材料制备粉末粒度P／μm电镀电流密度I／（mA·c m2）1 13.19 20 2 4.64 25 3 4.64 20 4 4.64 20

2 试验结果与讨论

2.1 基体材料Al Si的制备粉末粒度的影响

图1为13.19μm粉末制备材料镀层，显示镀层明显不均匀，出现断层，另外镀层的厚度较小，无法实现实用的镀层。图2为4.64μm粉末制备材料镀层，已经出现均匀的镀层，厚度适中，但是仍然存在一定的缺陷，相对图1，证实基体材料Al Si的制备粉末粒度越细，则镀金层连续。主要因为Al Si的制备粉末粒度越细，烧结密度越高，材料本体中的气孔越少，镀金层越致密，如图3所示。

图1 13.19μm粉末制备材料镀层

图2 4.64μm粉末制备材料镀层

图3 基体材料Al Si制备材料组织

图4 不同电流密度镀层形貌

2.2 电镀电流密度的影响

在其他条件相同的情况下，不同电流密度对镀层形貌影响如图4所示，图4a为20 mA／c m2电流密度镀层形貌，显示可以实现相对比较均匀的镀层，并且镀层中的缺陷较少，当把电流密度增加到25 mA／c m2（图4b），镀层明显不均匀，缺陷较多，因此也证明了电流密度偏大，则镀金层缺陷越多。

2.3 镀层缺陷对焊接性的影响

焊接性测试结果标准如图5所示，采用4号样品和2号样品进行焊接性测试，结果如图6所示，结合形貌图4可以看出，在其他条件相同的情况下，2号样品的镀金层缺陷多，其焊接性测试的浸润时间不能满足标准要求，而无缺陷的4号样品镀层，则完全满足标准的要求。

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（1）根据变频器所处的实际环境情况，对变频器进行定期的检查和维护。首先要保持变频器的清洁，定期对其做防腐处理，并且

图5 焊接性测试结果标准图

图6 焊接性测试结果图

焊接性测试是采用润湿平衡法（wetting balance）的原理对铝硅材料镀层、焊料和助焊剂等的焊接性能进行定性和定量的评估。实际是对铝硅材料镀层的润湿作用进行评估。润湿作用可以分为浸渍润湿、附着润湿以及铺展润湿等。当液态钎料在母材表面的附着力大于其内聚力时，液体钎料能够粘附在母材焊区的固体表面，从而发生润湿作用。衡量液态钎料对母材焊区表面的润湿能力，可以用液态钎料与焊区表面接触时的接触夹角来表示［8］如图7所示。

图7 钎料润湿焊区表面［8］

液态钎料终止铺展时的平衡方程为

式中，σSF为固体母材表面与液态钎剂之间的界面张力；σLF为液态钎料与液态钎剂之间的界面张力；σLS为液态钎料与焊区表面之间的界面张力。

从图7可以看出：当cosθ值大于零时，即0°＜θ＜90°，则液态钎料能够润湿铝硅材料镀层表面；当cosθ值小于零时，即90°＜θ＜180°，则液态钎料不能润湿铝硅材料镀层表面；当θ＝0时，则表示液态钎料完全润湿铝硅材料镀层；而当θ＝180°时，则表示液态钎料完全不能润湿铝硅材料镀层。实际钎焊时，液态钎料的润湿角应该小于20°。

液态钎料与铝硅材料镀层表面相互润湿的前提是两者之间不发生化学反应。液态钎料在铝硅材料镀层表面的润湿程度一般由润湿角、铺展面积S以及润湿系数W 表示，即W＝S cosθ。

式(9)为t阶段船舶贝内不能出现阻塞箱的约束，即后卸船集装箱压在先卸船集装箱之上，其中，dk(t)为集装箱k(t)的目的港，π(p)∈P表示箱位p上面的紧邻箱位。

对于缺陷较多的2号样品镀层，其焊接性测试的浸润时间不能满足标准要求，主要因为镀层缺陷的存在，镀层不均匀并存在断层，导致润湿角θ变大，铺展面积S变小，浸润时间较长，焊接性变差。

而对于无缺陷的4号样品镀层，其镀层均匀、连续，润湿角θ小，铺展面积S大，则焊接性完全满足标准的要求。

3 结论

（1）基体材料Al Si的制备粉末粒度越细，则镀金层连续。

（2）电镀电流密度偏大，则镀金层缺陷越多。

（3）基体材料Al Si的制备粉末粒度为4.64μm、电流密度为20 mA／c m2的镀层连续、完整。

典故是民族文化之精髓，人民群众集体智慧之结晶，是人们在现实生活和文学创作中常见的一种语言现象。在全球文化一体化的今天，了解具有民族特色的典故是国际文化交流所不可或缺的，具有不可忽视的实际意义。

（4）镀层连续、完整的样品的焊接性测试结果可以满足MIL－STD－883的标准要求。

参考文献

［1］ 禹胜林，薛松柏，尹邦跃，等.Al－Si电子封装材料粉末冶金法致密性研究［J］.材料工程，2014（2）：45－50.

［2］ 周明智，雷党刚，李正.高硅铝合金壳体激光封焊缺陷及机制分析［J］.电子机械工程，2013，29（6）：54－56.

［3］ 顾勇，王莎鸥，赵建明等.高密度3D封装技术的应用与发展趋势［J］.电子元件与材料，2010，29（7）：67－70.

［4］ 李忠辉，张永安，熊柏青，等.喷射成形硅铝电子封装材料的电镀及钎焊性能［J］.稀有金属，2010，34（5）：633－637.

［5］ Hogg S C，Lambour ne A，Ogilvy A，et al.Microstr uctural characterization of spray for med Si－30 Al for ther mal management applications［J］.Scripta Materialia，2006，55（1）：111－114.

［6］ 查尔斯 A，哈柏，沈卓身.电子封装材料与工艺［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［7］ 白晓婧，杨滨，王子涵，等.喷射成形60Si40Al电子封装材料的钎焊性能研究［J］.热加工工艺，2007，36（23）：8－10.

［8］ 邹家生.材料连接原理与工艺［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.