軌道交通絕緣柵雙極型晶體管模塊封裝材料的制備技術(shù)及其顯微組織研究

范明保 王永亮 黃 林 肖 宇 張 力 邢大偉

(1.中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心, 130062, 長春；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 150001， 哈爾濱∥第一作者, 工程師)

在軌道交通車輛中，采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊構(gòu)成牽引變流器、逆變器等電氣組件，具有廣泛的應(yīng)用需求。超高硅鋁合金作為封裝材料，具有多方面的綜合優(yōu)勢，如：熱膨脹系數(shù)可調(diào)，較高的熱導(dǎo)率，材料輕量化，足夠的強度與剛度及可電鍍等[1-5]。

粉末冶金復(fù)合致密化工藝要求溫度較低，Si顆粒粒徑大小可控，組織穩(wěn)定性較高且工藝簡單、成本低。這種制備方法在硅鋁復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和組織控制上有較大的發(fā)展?jié)摿6-8]。本文將在傳統(tǒng)粉末冶金的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙向分級熱壓致密化成型工藝，制備Al-50%Si合金電子封裝材料。

1 Al-50%Si合金電子封裝材料制備試驗

本試驗所用原材料為市售工業(yè)Al粉和Al-50%Si合金粉。Al-50%Si合金試樣成型結(jié)構(gòu)示意見圖1。其中，Al粉的純度≥99.5%，粒度為20～50 μm；Al-50%Si合金粉的粒度為20～50 μm，純度≥99.7%。Al-50%Si合金試樣成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

圖1 Al-50%Si合金試樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Al-50%Si alloy sample structure

如圖1所示，壓坯兩端采用Al粉保護，使用圓柱形模具配合壓力機冷壓成型，然后在恒溫下燒結(jié)并采用熱壓致密化工藝，即雙向間斷加壓并反復(fù)擠壓的壓制方式制備Al-50%Si合金試樣。冷壓壓力為250 MPa，保壓時間為15 min，脫模壓力為75 MPa，燒結(jié)溫度為720 ℃，并恒溫保溫50 min。壓胚恒溫?zé)Y(jié)后迅速移至壓力機模具中，采用勻速點動分級加壓致密化，壓力機沖頭比壓與保壓時間的關(guān)系見表2。

表1 Al-50%Si合金試樣成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Element content of Al-50%Si alloy sample 單位：%

表2 Al-50%Si合金試樣制備中沖頭比壓、系統(tǒng)壓力與保壓時間的關(guān)系Tab.2 Relationship among punch specific pressure， system pressure and holding time of Al-50%Si alloy sample

采用熱處理工藝制備Al-50%Si合金試樣，工藝條件為：在540 ℃溫度下，熱擴散處理3.5 h。使用DM4000M型光學(xué)顯微鏡觀察Al-50%Si合金顯微組織，并采用掃描電子顯微鏡Quanta 200FEG對試樣表面進行觀察并拍照。

2 不同燒結(jié)工藝對Al-50%Si合金顯微組織的影響

2.1 熱壓致密化工藝下Al-50%Si合金的顯微組織

如圖2所示，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到660 ℃時，在Si-Al兩相界面可以發(fā)現(xiàn)細(xì)小的孔隙存在，但結(jié)合較差；當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到780 ℃時，Si相尺寸已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重惡化，合金中則出現(xiàn)了Si相顆粒明顯聯(lián)結(jié)長大的趨勢(見圖2 c)圓圈處)，這種Si相結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料具有明顯的各向異性，使得其局部的熱導(dǎo)性能和熱膨脹性能發(fā)生大幅度變化，這將不利于電子封裝材料的應(yīng)用。當(dāng)燒結(jié)溫度為720 ℃時，顯微組織尺寸無明顯改變，顆粒分布均勻。

a)燒結(jié)溫度為660 ℃ b)燒結(jié)溫度為720 ℃ c)燒結(jié)溫度為780 ℃圖2 不同燒結(jié)溫度下Al-50%Si合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Al-50%Si alloy at different sintering temperatures

如圖3所示,隨著保溫時間的延長，原始Si顆粒棱角邊緣發(fā)生球化。當(dāng)保溫時間達(dá)到90 min后，粉體中的Si顆粒出現(xiàn)聯(lián)結(jié)長大現(xiàn)象，多個距離相近的Si顆粒連接成一個Si相骨架，因Si顆粒粗大，嚴(yán)重影響Al-50%Si合金材料性能(見圖3 c))。另外，如圖3 d)所示，在觀察Al-50%Si合金的金相時還發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時間的延長，燒結(jié)坯的芯部，即最終凝固處，出現(xiàn)較多孔隙，而在保溫50 min時金相組織則較為致密。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因為長時間保溫情況下，形成的連續(xù)Si相骨架，阻礙了液態(tài)Al的流動，進而在燒結(jié)以及熱壓致密化過程中，難以對其芯部組織進行補縮，最終產(chǎn)生空隙。

圖3 不同保溫時間下Al-50%Si合金的顯微組織圖像Fig.3 Microstructure of Al-50%Si alloy at different holding times

2.2 熱處理工藝下Al-50%Si合金的顯微組織

如圖4所示，未經(jīng)熱處理的合金內(nèi)部細(xì)長，針狀的共晶硅均勻分布在初晶硅周圍的Al基體中；隨著熱處理工藝下保溫時間的延長，共晶硅相貌發(fā)生了明顯的改變，大部分尺寸較大且細(xì)長的共晶硅發(fā)生熔斷，變?yōu)槌叽巛^小、端部圓滑的短棒狀或粒狀的共晶硅。當(dāng)保溫時間達(dá)到3.5 h，共晶硅全部變?yōu)榍蛄钋揖鶆虻胤植荚贏l基體當(dāng)中。

圖4 熱處理工藝前后共晶硅顯微形貌對比Fig.4 Micromorphology comparison between Eutectic silicon samples before and after heat treatment process

3 結(jié)論

1) 采用熱壓致密化工藝制備Al-50%Si合金時，通過嚴(yán)格控制壓力供給方式，實現(xiàn)了分級加壓，進一步提高了燒結(jié)體的致密度。燒結(jié)溫度對合金組織起著決定性作用，保溫時間對顯微組織的影響遠(yuǎn)小于溫度因素。在燒結(jié)溫度為720 ℃且保溫50 min的燒結(jié)工藝條件下，合金粉壓坯熱壓態(tài)顯微組織表觀良好。

2) 采用熱處理工藝制備的Al-50%Si合金，合金粉熱壓態(tài)組織Si相顆粒尺寸細(xì)小，且分布均勻。纖維狀與細(xì)針狀共晶硅均勻地分布于基體中；熱擴散溫度為540 ℃，擴散處理3.5 h，能夠有效熔斷纖維狀與細(xì)針狀共晶硅，此時共晶硅呈細(xì)小球粒狀。