电子封装用低温无铅玻璃粉的研制及其封接性能研究

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高硅铝合金和高体积分数碳化硅颗粒增强的铝基复合材料以高导热率、热膨胀系数可调、高比模量等优良性能,广泛运用于电子封装、航空航天、高铁、电动汽车等领域。本文通过研制绿色低温玻璃粉,在大气环境下将其作为钎料用于高硅铝或Si Cp/Al复合材料自身的连接,旨在解决电子封装技术中出现的封接问题。选取Bi2O3-B2O3-Zn O系玻璃钎料,研究玻璃粉成分对其结构、热性能以及析晶情况的影响,研究不同工艺参数下(温度、保温时间、钎料形态、母材表面处理)用玻璃钎料连接的高硅铝接头和Si Cp/Al复合材料接头微观组织、剪切强度和气密性的影响因素。经过熔融-水淬法得到的粉末状玻璃钎料均为非晶态,成玻性好。随着Bi2O3含量的降低,玻璃钎料中的[Bi O3]三角体和[Bi O6]八面体结构单元的数量逐渐降低,从而使玻璃钎料的析晶能力变弱,玻璃网络结构的无序性(成玻性)增强。Ba O的加入有助于降低玻璃钎料的析晶倾向。选取性能较为优异的79Bi2O3-7.5B2O3-7.5Zn O-6Ba O(wt%)玻璃钎料,可满足电子封装需求的热膨胀系数(10.96×10-6/℃)以及较为适宜的玻璃化转变温度Tg(375℃)和软化温度Tf(390℃)。随着温度的升高(460-520℃)和保温时间的延长(10-40min)会使玻璃钎料在Si Cp/6063A1复合材料和Al-50Si高硅铝表面润湿铺展效果越来越好。当用片状玻璃钎料连接Al-50Si高硅铝时,发现随温度升高和保温时间延长(10-40min),接头的焊缝宽度变窄,在焊缝中和连接界面处出现了大量富Bi晶相。接头中钎料与母材通过元素扩散实现结合,其力学性能随着连接温度的升高先增加后下降,随保温时间的延长而增加,在500℃,保温40min时接头获得最大剪切强度为33MPa,此时接头气密性(5×10-9Pa×m~3/s)达到国家标准要求。此时玻璃钎料中气孔和界面元素扩散是影响接头力学性能的主要因素。当片状玻璃钎料连接Si Cp/6063Al复合材料时,发现接头界面处犬牙交错,钎料与母材通过元素扩散实现结合。随着温度的升高和保温时间的延长(10-60min)与界面的元素扩散程度呈正相关,其中Al、Bi和O元素扩散程度明显。接头的剪切性能随着连接温度的升高先增加后下降,随保温时间的延长而增加。在500℃,保温60min时接头获得最大剪切强度为17MPa,此时接头气密性为3×10-9Pa×m~3/s。此时钎料中气孔、界面元素扩散以及热膨胀系数不匹配产生的裂纹是影响接头力学性能的主要因素。图72幅,表27个,参考文献85篇。
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