电子与封装 第１６卷，第８期 总第１６０期 Ｖｏ１．１６．Ｎｏ．８ ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ ２０１６年８月 ⑧⑧＠⑩⑧⑧⑧⑧ 电子封装用硅铝合金激光气密焊接研究 徐骁，刘 艳，陈洁民，程 凯 （南京电子器件研究所，南京２１００１６） 摘要：对电子封装用硅铝合金焊接材料的裂纹产生机理进行简要的分析。针对其焊接后极易开裂的 现象，通过对硅铝合金的激光焊接工艺参数和焊接结构进行优化，获得漏率Ｒｌ小于５×１０ Ｐａ·ｍ３／ｓ （Ｈｅ）的封装器件。气密性成品率高于９５％，且通过按ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５方法１０１０．１条件Ｂ的１００次 温循等可靠性试验。 关键词：硅铝合金；气密封装；激光焊接 中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６８１—１０７０（２０１６）０８．０００１－０４ 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） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｈｔｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆｈｅｒｍｅｔｉｃ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ９５％ａｎｄ ｈｔｅ ｌｅａｋａｇｅ ｒａｔｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５￣１０ Ｐａ·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一２００５． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｍｕｉｎ ａｌｌｏｙｓ；ｈｅｒｍｅｔｉｃ ｐａｃｋａｇｅ；ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ 的密封结构和易于拆盖返修等优点闭，是目前硅铝合金 １ 引言 气密封装最常用的焊接方法。但硅铝合金材料内部存 在大量脆性块状硅相，在焊接过程中易产生应力集中， 航空航天用微波组件正朝着大功率、轻量化和高 在脆性相处容易引起开裂，一般硅含量超过５０％后焊 性能方向发展，硅铝合金因其密度低，热膨胀系数与 接裂纹将难以避免，焊接后出现贯穿至芯腔的裂纹，造 微波组件内部的芯片、基板相匹配，散热性能优良，机 成封装组件的密封失效网。焊后开裂漏气是此前掣肘硅 械加工性能良好等特点，替代了比重大或者导热性差 含量超过５０％硅铝合金批量化生产应用的主要原因。 的可伐合金及铜钨合金等 ｌ，成为了航空航天用微波 本文从电子封装用硅铝合金应用现状出发，采用 组件的主要材料。 激光焊接技术，对硅含量为２７％￣１：１ ５０％的硅铝合金进 为了提高微波组件在航空、航天和海上应用的可 行封装。针对焊接裂纹形成机理，采用焊接结构及工 靠性，必须进行气密性封装。激光焊接由于具有能量密 艺同时优化的方式，获得漏率Ｒ。小于５ｘ１０ Ｐａ·ｍ３／ｓ 度高、热影响区小、焊缝窄、非接触焊接能适应较复杂 （Ｈｅ）的封装，并进行温循、恒定加速度等可靠性试验。 收稿日期：２０１６－４－１８ 第１６卷第８期 电子与封装 量，形成了热膨胀系数ＣＴＥ为（７－１７）ｘ１０ ６／Ｋ的系列 ２ 电子封装用硅铝合金应用现状 英国Ｏｓｐｒｅｙ公司率先采用喷射沉积和热等静 压工艺成功制备了硅铝合金材料，通过控制硅含 硅铝合金材料，称为ＣＥ合金Ｈ】，其物理性能参数见 表１。 我国电子封装用硅铝合金部分物理性能参数见 表２，光学显微组织见图１。 表１英国Ｏｓｐｒｅｙ公司主要硅铝合金的物理性能 表２国内部分硅铝合金的物理性能 性断裂为主，故硅铝合金中的硅含量越高，焊接时越 容易出现裂纹。而当硅含量降低时，热膨胀系数增大， 与芯片、基板越不匹配，故含硅量低的硅铝合金不宜 用作与芯片、基板直接粘接／焊接部位的壳体材料。 虽然ＣＥ１７与ＣＥ１７激光气密焊接非常容易实现， 但一般只使用ＣＥ１７作为盖板材料，因其热膨胀系数 较高，与芯片、基板不匹配，很少用作壳体材料。也不 同时使用ＣＥ１１作为盖板和壳体材料，因母材中硅含 量超过５０％时激光焊接后出现裂纹倾向增大，难以实 现气密封装。综合考虑材料的焊接性及热匹配性，采 用激光焊接的微波组件盖板材料一般选用焊接性较 好的ＣＥ１７，壳体材料选用热膨胀系数较低的ＣＥ１ １。 （ａ）硅含量２７％的ＣＥ１７ （ｂ）硅含量５０％的ＣＥ１ １ ４ 硅铝合金激光焊接缺陷类型及裂纹产生 机理 ４．１ 硅铝合金激光焊接缺陷类型 图１ ＣＥ１７与ＣＥ１１光学显微组织对比 ３ 电子封装用硅铝合金焊接材料选择 电子封装用硅铝合金主要需要满足以下要求：热 膨胀系数与微波组件内部的芯片、基板相匹配，散热 性能优良，机械加工性能好，可焊接性好，以此来适应 微波组件的焊接一般采用波长为１０６４ ｎｍ的脉冲 式Ｎｄ：ＹＡＧ激光。在激光焊接过程中，一般脉冲激光 每个脉冲的周期约１００ ｍｓ，脉冲宽度（激光作用时间） 一般为几毫秒，每个周期的加热时间不到十分之一， 其余时间自然冷却。脉冲激光对每个焊点产生加热作 微波组件的需求。 封装壳体材料的选择对微波组件的整体性能非 常重要。一般选用ＣＥ１７作为盖板材料，选用ＣＥ１１作 用后自然冷却，在加热和冷却的过程中两种材料存在 热膨胀系数差异、急速温度变化，导致焊缝产生热应 力。由于硅铝合金材料内部存在大量脆性块状粒子 硅，在应力的作用下，易发生破碎，形成裂纹。硅铝合 金中脆性相分布广泛，塑性较差，裂纹极易扩展，形成 贯穿性裂纹。 试验结果显示，焊缝裂纹主要以下面两种形式存 为壳体材料。ＣＥ１ １合金较ＣＥ１７合金而言，硅含量增 加，铝基体上面的颗粒状硅相尺寸增大。研究表明 】， 硅铝合金的强度和塑性取决于铝基体的强度以及塑 性粒子硅的尺寸，硅铝合金随粒子硅含量的增加由以 铝基体相的韧性断裂为主逐渐转变为以粒子硅的脆 ．在：（１）沿焊接方向焊缝中间裂纹，如图２所示；（２）沿 ２一
