基于硅鋁合金密封連接器玻璃封接技術研究

楊政勇，彭澤輝，王 永

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550000)

1 引言

隨著現代電子信息技術的迅速發展，玻璃與金屬封接在電子元件、半導體器件中的應用越來越廣泛。熱膨脹系數、熱導率和密度是現代電子封裝材料必須考慮的三大要素。理想的電子封裝材料應滿足以下性能要求：①合理的膨脹系數，封裝材料與連接器之間的膨脹系數要匹配，以免焊接時或組件工作時，兩者的熱膨脹系數差異產生熱應力而使產品受損；②導熱性能好，能及時將半導體工作產生的大量熱量散發出去，保護內部不因溫度過高而失效；③氣密性好，能抵御高溫、高濕、腐蝕、輻射等有害環境對電子器件的影響；④強度和剛度高，對組件內部起到支撐和保護作用；⑤良好的加工成型和焊接性能，以便于加工成各種復雜形狀和利于焊接封裝；⑥對應用于航空航天領域中的電子封裝材料，其密度要求盡可能的小，以減輕器件的重量[1,2,3]。

航空、航天、電子等單位各種電子設備特別是T/R組件上使用了大量的封接密封連接器，這些密封連接器大多數采用可伐合金與玻璃封接而成。當前，隨著硅鋁合金材料在T/R組件殼體上的廣泛應用，可伐合金密封連接器因膨脹系數差異較大，與硅鋁合金殼體焊接封裝匹配性較差，焊接后因應力較大，容易產生密封性失效。同時可伐合金無法滿足航空航天輕量化需求，并且導熱率較低，對產品壽命會產生影響。硅鋁合金具有熱膨脹系數可控，熱導性能好，比強度和剛度較高，鍍覆性能和焊接性能好等優異性能，符合電子封裝技術小型化、輕量化、高密度組裝化方向發展的要求[4]。因此，硅鋁合金與玻璃封接工藝是密封連接器的一個研究方向。

圖1 與TR殼體裝配示意圖

2 硅鋁合金與玻璃熔封工藝研究

2.1 封接玻璃選擇

玻璃應選用低溫封接玻璃，因為硅鋁合金外殼中含有鋁，其耐高溫能力較差，最高不能超過600℃，溫度過高會使鋁變軟熔化，從硅鋁合金中析出團聚，最終導致硅鋁合金材料軟化變形。因此，選用玻璃的封接溫度理論不應超過580℃。本項目中，選用了三種低溫封接玻璃進行驗證。浸潤性是考察玻璃與金屬能否實現良好封接的關鍵指標，為了驗證玻璃與硅鋁合金的浸潤效果，將上述三種玻璃，按其指導封接溫度與硅鋁合金板進行熔封，檢測其浸潤角。試驗結果表明，鉛系玻璃與硅鋁合金的浸潤性最好，其次是鉍酸鹽系玻璃，磷酸鹽系玻璃與硅鋁合金的浸潤性最差。

表1 低溫玻璃材料參數

將三種不同體系的玻璃與硅鋁合金進行熔封試驗，兩種非鉛系低溫玻璃的熔封溫度較高，其中磷酸鹽系玻璃已接近鋁析出溫度，該玻璃與硅鋁合金的浸潤效果較差，玻璃未能鋪開在外殼上，屬封接不良現象；鉍酸鹽系玻璃封接溫度相對較低，最佳封接溫度在(540～570)℃區間，可避免熔封時硅鋁合金變形，封接后的產品密封性也較好。鉛系低溫玻璃的熔封溫度較低，在520℃左右即可實現良好封接，玻璃與引腳及外殼的浸潤性相對較好，雖然其樣件密封性合格，但該玻璃因其強度較差，在引腳根部存在細微裂紋，存在一定的隱患，且粘附石墨嚴重，會和石墨牢固的結合在一起。

2.2 外殼及引腳材料選擇

TR殼體材料使用的硅鋁合金牌號通常硅含量為50%的硅鋁合金，為了與之匹配，玻璃封接所用的外殼材料也以AlSi50為主。AlSi50材料膨脹系數約為115×10-7/℃，根據玻璃封接膨脹系數匹配理論，引腳材料需滿足幾個要求，一是其膨脹系數要跟硅鋁合金相接近，二是金屬材料與玻璃浸潤性良好，三是可加工性較好。根據這幾點要求，與硅鋁合金膨脹系數較為接近，可作為引腳備選的材料有4J50膨脹合金和低碳鋼。4J50和低碳鋼均是玻璃封接常用的金屬材料，與AlSi50膨脹系數相接近，均可作為硅鋁合金封接的引腳材料。

為了驗證4J50和低碳鋼材料對硅鋁合金封接性能的影響，采用某型號產品進行熔封試驗，所用的材料組合及熔封驗證結果見表2所示。

表2 不同材料組合對比封接試驗

從試驗結果來看，AlSi50+10#鋼+鉍系玻璃這個材料組合，熔封后玻璃子不會產生裂紋，同時密封性合格，說明該組材料組合的匹配性較好，而采用4J50材料作為引腳進行熔封后，樣件均漏氣，說明4J50材料作為引腳在與低溫玻璃進行封接時，封接界面的浸潤性不好，玻璃與金屬的結合強度不高，容易造成漏氣。

4J50和低碳鋼作為引腳的兩種材料，對外殼合件密封性產生了不同的影響，經分析認為，主要是由于兩種材料成分引起封接強度的差異。4J50材料含有多種成分，其中的鎳元素難被氧化，影響了金屬與玻璃封接的浸潤性和封接強度。低碳鋼由單一的鐵元素組成，鐵的的氧化則容易得多，鐵在高溫下氧化會很快生成鐵的氧化物，且氧化膜厚度隨著時間的延長呈線性增長趨勢，低碳鋼不存在氧化不足問題，能夠快速的氧化并達到所需厚度，實現與玻璃的良好浸潤。因此，引腳材料中選擇低碳鋼要比4J50更適合用于矩形密封連接器的熔封。

2.3 硅鋁合金氧化研究

硅鋁合金與玻璃的浸潤性是確保產品密封性和封接強度的關鍵影響因素，為了提高金屬與玻璃的浸潤性，通常在熔封前需要對金屬進行氧化處理，由于硅鋁合金材料與傳統的可伐合金、低碳鋼等材料差異較大，傳統的氧化工藝已無法適用，需要對硅鋁合金的氧化機制進行研究。

硅鋁合金外殼在高溫中進行氧化處理后，外殼表面顏色無明顯變化，仍然呈現出金屬基體的亮銀色。檢測高溫氧化后樣件表面的成分，其氧元素含量較低，約在3%～4%，屬于輕微氧化級別。說明空氣中高溫氧化對硅鋁合金無明顯作用。用高溫氧化的硅鋁合金外殼鉍系和鉛系兩種玻璃進行熔封后，其樣件均出現漏氣現象，說明表面未被氧化的硅鋁合金與玻璃浸潤效果較差，無法滿足密封性要求。

硅鋁合金是由硅和鋁兩種材料組成，由于硅和鋁兩種材料性能的差異較大，無法通過高溫熔煉等方式進行高度融合而形成致密的合金，只能通過浸滲或沉積等工藝制造而成，當前生產的硅鋁合金，其致密度仍然不高，存在較多的小孔隙，當在硅鋁合金和可伐合金表面滴酒精時，酒精立即滲入硅鋁合金里面，而可伐合金表面的酒精則會快速的鋪開，并未立即深入金屬里面，這說明硅鋁合金吸濕性較強，存在較大的孔隙率。為了解決硅鋁合金孔隙的問題，對硅鋁合金外殼進行鍍鎳(8～13μ)封閉處理，并在450℃下氧化2小時，氧化后外殼表面顏色由鍍鎳時的灰白色變形灰藍色，說明外殼表面的鎳層已發生了一定的氧化。檢測結果表明，通過對外殼進行鍍鎳，再進行高溫氧化，外殼表面的氧元素含量達到17%，明顯高于未鍍鎳空氣氧化，說明外殼鍍鎳后的氧化膜較厚，在理論上可實現與玻璃的良好浸潤。將預鍍鎳的外殼與低碳鋼引腳及鉍系、鉛系玻璃低溫玻璃進行熔封后，期產品密封性均合格。外殼鍍鎳后，把硅鋁合金表面的微孔進行了有效封堵，有利于提升密封性，同時對外殼進行氧化后，在外殼表面形成一層氧化膜，可有效提高硅鋁合金外殼與玻璃的浸潤性。

2.4 硅鋁合金封接工藝研究

由于硅鋁合金與低溫玻璃熔封屬于低溫封接技術，常規的可伐合金熔封則屬于高溫封接技術，兩者封接工藝不同，需要對硅鋁合金的封接工藝進行研究。

硅鋁合金材料由于有鋁元素的存在，材料耐溫性較低，經實際測試，AlSi50最高耐溫為580℃，超過該溫度，硅鋁合金中的鋁會熔化析出，使材料組織出現變化，零件變形。熔封使用高純氮氣保護爐，主要驗證熔封溫度和熔封時間，將鉍酸鹽玻璃放在硅鋁合金板上進行熔封溫度驗證，得到了最佳熔封溫度為550±15℃，在該溫度條件下，通過組裝零件進行熔封驗證，其最佳熔封時間為25～30min，熔封時間過短，玻璃還未充分熔融，熔封時間過長，玻璃表面粗糙，出現過燒現象。

通過試驗，得到硅鋁合金和鉍酸鹽玻璃的最佳封接工藝參數，其熔封工藝曲線見圖2所示。

圖2 硅鋁合金低溫玻璃封接工藝曲線

3 結論

本文主要對硅鋁合金封接工藝進行研究，通過對硅鋁合金新型玻璃封接材料以及低溫封接玻璃的性能特點進行研究，確定了適合于微矩形硅鋁合金密封連接器低溫玻璃封接的材料組合(AlSi50外殼+低碳鋼引腳+鉍酸鹽玻璃)。通過對硅鋁合金的前處理工藝進行研究，制定了合理的前處理工藝方案，硅鋁合金外殼采用預先鍍鎳，再進行高溫氧化的方式，可解決封接過程中產品漏氣問題，實現硅鋁合金與玻璃的牢固結合。通過對封接玻璃的熔封工藝參數進行研究，得到了合理的硅鋁合金低溫封接工藝曲線，為確保密封連接器性能指標提供可靠的工藝保障。硅鋁合金玻璃封接技術是當前玻璃封接技術的發展方向，能滿足用戶對連接器輕量化、高散熱以及集成化等要求，符合密封連接器產業發展趨勢。