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SiCp/Al复合材料由于具有低密度、高热导率、高的机械强度及与芯片匹配的热膨胀系数(CTE),使其成为替代可伐合金作为金属封装外壳的理想材料。但由于其微观结构和物理性能的复杂性,封装工艺需要做相应改变。
化学镀Ni(P)在电子和半导体工业中是一种重要的表面镀层。本文研究了在铝合金和SiCp/Al复合材料表面化学镀Ni(10%P)、Ni(5%P)、Ni(B)和电镀Ni的工艺。分析了主盐浓度、Ni2+/[H2PO2]-的摩尔比、缓冲剂、络合剂、pH值和温度等对镀速和镀层P含量的影响。其中主盐浓度和pH值对镀层的P含量影响最大,而Ni2+/[H2PO2]-的摩尔比和乳酸浓度对镀层镀速影响最大。
由于缺乏合适的Al基中温钎料,SiCp/Al复合材料的应用受到了严重阻碍。本文制备了三种Al-Si-Cu钎料,研究发现,随着Cu含量的增加,钎料的熔点逐渐降低,但是钎料的硬度在Cu超过20wt.%后迅速增加。CuAl2金属间化合物的生成使钎料变脆且降低了钎料的抗腐蚀性能。使用合金元素Ni部分取代Cu可改善钎料的机械性能和抗腐蚀性能。采用单辊急冷法制备的Al-Si-Cu-Ni钎料薄带具有极细的晶粒组织和较好的柔韧性。使用此钎料薄带钎焊SiCp/Al复合材料时,不需要使用钎剂,且钎焊接头具有较高的剪切强度。
在电子封装工业中,常采用Sn基钎料对金属外壳进行封盖。本文采用一种新型的Sn-2.5Ag-2.0Ni钎料分别钎焊具有Ni(10%P)、Ni(5%P)、Ni(B)和电镀Ni四种镀层的SiCp/Al复合材料。发现当镀层中的P含量为10wt.%时,镀层为非晶态,随着P含量的降低,镀层的结构逐渐转化为晶态。由于钎焊过程中Ni原子在晶态中的扩散远远低于在非晶态的扩散速度,所以降低P含量有利于钎焊接头的可靠性。但是随着P含量的降低,Ni3Sn4金属间化合物(IMCs)的热应力会逐渐增加,从而导致裂纹的产生而使接头失效。此外,Ni(10%P)钎焊接头中能显著降低接头剪切强度的Ni-Sn-P化合物层的生成被Ni(5%P)所抑制。
研究了四种钎焊接头的失效模式,其中Ni(10%P)接头的失效主要是由Ni-Sn-P化合物层、富P的Ni层和Kirkendall孔的生成造成的。而Ni(5%P)接头的失效主要由Ni3Sn4金属间化合物生长和Ni3P的形成所造成的。电镀Ni接头中Ni3Sn4金属间化合物的生长导致了接头内的高应力。在这四种钎焊接头中,Ni(B)镀层与钎料具有良好的润湿性,钎焊接头具有低的金属间化合物生长速度,使其在长时间时效后保持了最高的剪切强度。
为了避免在中温钎焊过程中影响封接玻璃的性能,本工作开发了一种与可伐合金熔封的ZnO-Al2O3-B2O3-SiO2系微晶玻璃,其主晶相为ZnAl2O4,ZnB2O4和NaSiAl2O4。其最高排蜡温度,热膨胀系数和绝缘电阻分别为720℃、5.2×10-6/℃和1×1013Ω·cm。这种微晶玻璃与可伐合金的润湿性能良好。熔封过程中玻璃中的SiO2与可伐合金表面的FeO和Fe3O4会形成Fe2SiO4化合物,使两者得到良好的结合。熔封气氛与熔封温度对微晶玻璃与可伐合金的润湿性能影响最大。要得到质量良好的熔封产品,熔封玻璃与可伐合金的润湿角应小于30°。