盧海燕，周明智

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

SiCp/Al復合材料鍍金工藝研究*

盧海燕，周明智

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

SiCp/Al復合材料導電性差、膨脹系數(shù)低，尤其是不具備釬焊能力。為了滿足封裝殼體的良好釬焊性能，必須對其表面進行鍍金改性處理。文中針對SiC體積分數(shù)高達60%以上的SiCp/Al復合材料進行鍍金工藝研究，主要目的是解決鍍金層與基材之間的結合力難題。通過工藝試驗，采用工藝分步實施化學鍍鎳、熱處理、電鍍鎳、電鍍金步驟，得到的鍍層表面光滑平整，沒有明顯的結瘤和夾雜，與基材的結合力強。該工藝作為SiCp/Al可焊性表面處理技術之一，對于其他鋁基復合材料表面處理具有重要的參考價值。

SiCp/Al；復合材料；鍍金；焊接

引 言

隨著電子元器件的復雜性、密集性以及集成度的迅猛提高，芯片的功率越來越大，對芯片的散熱要求越來越高。傳統(tǒng)的電子封裝材料如Kovar合金、鉬銅等已經無法適應現(xiàn)代先進微波和集成電路技術高速發(fā)展對封裝的各項要求。作為新一代電子封裝材料的代表，高體積分數(shù)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)具有低膨脹、低密度、高熱導率、高比剛度、高比強度等優(yōu)良性能，已在國內外的機載、星載雷達中獲得了實際應用[1-5]。

SiCp/Al材料應用于雷達T/R組件和封裝殼體上，首先需要解決該材料不可焊接的問題，這就需要在其表面鍍一層結合力好、可焊性高的鍍金層。但是SiCp/Al材料中SiC顆粒填充含量高達60%以上，采用傳統(tǒng)的鋁合金鍍金工藝不能滿足鍍層結合力要求。因此，一段時間以來，可靠鍍覆工藝成為制約該材料工程化進展的一項關鍵瓶頸技術。本文針對SiCp/Al材料進行鍍金工藝實驗，解決鍍金層的結合力難題，達到良好焊接性能，使之成為合格的封裝材料。

1 實驗條件與方法

1.1 實驗材料

實驗所選用的是SiCp/Al(SiC顆粒體積分數(shù)達70%)復合材料，其顯微結構如圖1所示，經液態(tài)浸滲成型工藝制備的SiCp/Al材料組織細小，SiC顆粒為不規(guī)則形狀，大部分為三角形，棱角尖銳、分明，嵌入分布在鋁基體中，尺寸大約在10～50 μm之間。材料中沒有疏松和空洞。

圖1 SiCp/Al材料的表面顯微組織

實驗中化學鍍和電鍍的原材料都來源于普通商業(yè)用途的化學試劑。

1.2 鍍金工藝

本材料是在SiC預制件中浸入熔融的鋁合金制備而成，因此電鍍前處理可參考鋁合金的前處理工藝。但考慮到夾雜的SiC顆粒導致的材料表面不連續(xù)性和復合材料的特性對工藝過程和工藝參數(shù)加以改進。經多次試驗探索，鍍金工藝采用金屬化—熱處理—電鍍的綜合表面處理技術，可實現(xiàn)鍍層致密、結合力牢固、外觀好，且工藝重現(xiàn)性好，簡單易操作。

基本工藝過程為：除油—酸浸—化學鍍鎳—熱處理—活化—鍍鎳—鍍金。各步驟之間需要加2～3道水洗。結合實際工藝試驗，本文重點敘述鍍金工藝中鍍金的建浴方法、熱處理方法以及鍍層性能測試方法等。

(1)鍍金建浴方法(標準1 L)

首先向設置好加熱器以及攪拌設備的鍍槽內添加9500型鍍金開缸劑，將其升溫至65 ℃，然后加入含金8 g的金鹽，充分攪拌至完全溶解。待鍍液冷卻至25 ℃，測定pH值及比重。確認pH值在4.5～5.0, 比重在14.7～16.7 °Be′范圍內，調整鍍液溫度到65 ℃。

(2)熱處理方法

將完成化學鍍鎳的SiCp/Al試件放入真空爐抽真空后隨爐升溫至400 ℃，保溫1 h，真空度1.1 × 10-3Pa，隨爐冷卻后，取出。

1.3 測試方法

按照GJB 1420《半導體集成電路外殼總規(guī)范》附錄A對鍍層結合力進行測試。具體方法為：將試樣隨爐升溫至300 ℃，再放入450 ℃馬弗爐中保持120 s，取出自然冷卻至室溫，在10倍放大鏡下觀察鍍層有無氣泡、起皮或脫落。為了更充分地驗證鍍層結合力，增加銼刀試驗法(GB5270)和焊料剝離法進行測試。主要過程為：在鍍層表面焊接一定厚度的銅線，要求焊料鋪展面積不低于30 mm2，且保持焊點牢固，待冷卻后用工裝固定試樣，用鉗夾住銅線，瞬間用力使銅線拉離試樣表面，觀察鍍層有無被焊料或銅線拉脫，用XREY熒光儀進行鍍層和焊料成份分析。

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層橫斷面形貌和測量鍍層厚度。按照國軍標GJB 548B微電子器件試驗方法和程序方法進行可焊性實驗。

2 試驗結果與討論

2.1 鍍層外觀與結合力

SiCp/Al材料鍍金后外觀顏色均勻一致。產品使用過程中，在無焊劑、焊料、油污、指紋等污染的情況下，鍍金層無變色、起泡或鍍層脫落等現(xiàn)象，見圖2。

圖2 SiCp/Al封裝蓋板鍍金照片

經450 ℃高溫烘烤和銼刀試驗法測試，鍍層與SiCp/Al基材結合牢固。采用焊料剝離法，經XREY熒光儀分析顯示，拉離的焊料及銅線表面只有Pb、Sn焊料成份，未發(fā)現(xiàn)金元素和鎳元素，見圖3。

圖3 焊料剝離法成份分析

2.2 工藝過程對鍍層結合力的影響

鋁是兩性金屬，和酸堿均能發(fā)生化學反應，而SiC則和酸堿不反應。SiCp/Al材料在經過除油和酸浸過程中的酸、堿化學反應時，如果反應過強，則容易在腐蝕晶界處和SiC顆粒周圍形成毛細空洞，不僅鍍層粗糙度會顯著增加，還會嚴重影響鍍層與基體的結合力；如果反應過弱，則不能有效清除表面氧化物，同樣也會影響鍍層結合力。本工藝實驗采用弱堿性除油和添加少量氫氟酸的硝酸浸蝕，既能保持基材的表面粗糙度又能達到良好的結合力。圖4為放大75 000倍的鍍金表面SEM形貌照片，可以看出鍍層表面結晶均勻、連續(xù)、致密。

圖4 SiCp/Al鍍金表面微觀形貌

化學鍍鎳后的熱處理過程可以很好地改善鍍層的結合強度。一方面是因為在400 ℃，1 h熱處理條件下，化學鎳層的硬度會成倍增加，減小了與基材的硬度差距。在此溫度下，鍍層發(fā)生組織轉變，會產生再結晶、晶粒長大。同時通過熱處理消除了鎳層的內應力和析氫脆性，塑性和韌性加強。鍍層和基體之間發(fā)生互相擴散，在界面處形成擴散層[6-8]。為了更直觀地觀察鍍層與基材之間的結合界面情況，對試樣進行橫截面制樣，見圖5。鎳鍍層和復合材料界面形成了良好的結合，鍍層厚度均勻、連續(xù)，呈現(xiàn)出完好的覆蓋能力，減少了SiCp/Al材料的表面缺陷與不連續(xù)性。

圖5 SiCp/Al鍍金截面區(qū)域顯微組織

2.3 鍍層可焊性

對鍍層的化學成分分析表明金鍍層純度為99.9%以上，達到封裝焊接對鍍金層的要求。釬焊性能測試結果表明焊料層均勻、全潤濕、平滑、無隆起。采用金錫焊對SiCp/Al鍍金蓋板和圍框進行焊接，具有良好的焊接性和耐焊性，焊接強度高，且能經受多次重復焊接。

從圖5可見，由于熱處理過程鎳元素分布范圍較廣，沿著SiCp/Al材料基底到鍍金層都觀測到鎳的存在。表面一層較薄的金層很好地保護了鎳不受氧化影響。同時一定厚度的鎳層對重復焊接或耐焊性起到較好的作用，這意味著可以提高焊接的可靠性，可以滿足長期可靠性要求。

3 結束語

采用改進型鋁基復合材料表面鍍金工藝對高體積組份SiCp/Al進行鍍金實驗，操作簡單、方便，工藝穩(wěn)定，且不需昂貴的設備。通過實施前處理、化學鍍鎳、熱處理、電鍍鎳、電鍍金工藝過程獲得的鍍金層，表面光滑平整，沒有明顯結瘤和夾雜。鍍件在經歷450 ℃高溫烘烤、銼刀試驗和焊料剝離試驗測試后，鍍層無起泡脫落等結合不牢現(xiàn)象。鍍層與鉛錫焊料、金錫焊料都具有良好的焊接性和耐焊性，焊接后，長期放置或使用不出現(xiàn)晶須。該工藝技術作為電子封裝材料應用的關鍵技術，實用性強，且在其他鋁基類復合材料表面電鍍中具有較強的指導意義。

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Study on Gold-plating Technology of SiCp/Al Composite Material

LU Hai-yan，ZHOU Ming-zhi

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

SiCp/Al composite material has low conductivity and low expansivity, especially has no brazingability. In order to obtain good brazing performance of packaging case, gold-plating modification treatment for its surface is essential. Gold-plating technology is studied in this paper for the SiCp/Al composite with more than 60% SiC volume fraction. The major objective is solving the binding force difficulty between gold coating and substrate. Through process experiment, steps of electroless nickel plating, heat treatment, nickel electroplating and gold electroplating are adopted. Coating thus obtained is smooth and flat, and no obvious nodulation and inclusion are found. Its binding force with substrate is strong. As one of the surface treatment technology for SiCp/Al weldability, the process has important reference value for the surface treatment of other aluminum matrix composites.

SiCp/Al; composite material; gold-plating; welding

2014-09-03

TB333.1

A

1008-5300(2014)06-0057-03

盧海燕(1974-)，女，高級工程師，主要研究方向為材料表面處理。