CN106181038B

CN106181038B - 一种高硅铝合金激光气密焊接方法

Info

Publication number: CN106181038B
Application number: CN201610659242.0A
Authority: CN
Inventors: 季兴桥
Original assignee: CETC 2 Research Institute
Current assignee: CETC 2 Research Institute
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: CN106181038A

Abstract

本发明涉及微电子封装领域，尤其是一种高硅铝合金激光气密焊接方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种焊接方法，其根据高硅铝材料特性，采用多温度梯度焊接，解决了高硅铝激光密封焊接成品率低的难题。本发明通过限定设置盒体硅含量Psi、盖板材料硅含量Gsi、焊接气密性M、焊接波形数量k之间的关系，以及焊斑的重叠率ρ与激光脉冲频率f、工件与激光束相对移动速度v以及光斑直径d的关系来对焊接过程进行严格控制，降低了高硅铝合金激光焊接开裂风险。

Description

一种高硅铝合金激光气密焊接方法

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，尤其是一种高硅铝合金激光气密焊接方法。

背景技术

微系统对小型化、轻量化、高功率密度、高集成度和高可靠性等方面的技术要求越来越高，采用传统的封装材料如Cu、Al、Ti、Kovar、W/Cu等金属制作的封装壳体在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法满足需求。硅铝合金由于重量轻、热导率高可适用于TR组件、微波功率组件等微波组件的封装腔体制造。高硅铝(Si≥40％)合金具有热膨胀系数低、热传导性能良好、密度低、导电性好、合理的强度和刚度、电镀性能好、加工性能好、加工周期短，可激光焊接等优越性能，在电子封装领域有很大的应用潜力。由于硅铝是在Al中参入40％以上的硅，因此合金材料内部存在大量脆性的块状Si相，材料延展性和机械强度比铝合金都要差，激光焊接过程中硅相易发生破碎，产生裂纹缺陷，AlSi合金材料塑性较差，裂纹极易扩展，形成贯穿性裂纹，造成气密封装不合格。因此，高AlSi合金激光封装对焊接参数和工艺控制要求非常高。

禹胜林等人在《AlSi电子封装材料粉末冶金法致密性研究》，田冲等人在《喷射沉积硅铝电子封装材料的组织与性能》，赵为上在《Si-Al合金电子封装材料性能及显微组织研究》，余琨等人在《电子封装材料过共晶硅-铝合金的组织特征和热性能》(英文)等文献中主要阐述了高硅铝合金材料的制作方法，未涉及到盒体的激光密封焊接。周明智等人在《高硅铝合金壳体激光封焊缺陷及机制分析》，朱小军、秦超在《基于高硅Si-Al复合材料的微波组件气密封装》，郝新锋等人在《电子封装用硅铝合金的应用研究》等文献中提到了高硅铝合金激光密封焊接盒体开裂机理和原因，但未给出详细的高硅铝合金激光焊接全套解决方案和工艺参数。朱小军等人在《4J42合金外壳气密封装的脉冲激光焊》，戴景杰在《铝合金激光焊接工艺特性研究》，李娜等人在《常用封装材料的激光封焊工艺研究》等文献中主要阐述了柯伐和铝合金的激光密封焊接，跟本专利的高硅铝合金激光密封焊接，在材料上面有较大的差别，焊接工艺参数也完全不一样。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高硅铝合金激光气密焊接方法，根据高硅铝材料特性，采用多温度梯度焊接，通过限定设置盒体硅含量Psi、盖板材料硅含量Gsi、焊接气密性M、焊接波形数量k之间的关系，以及焊斑的重叠率ρ是与激光脉冲频率f、工件与激光束相对移动速度v以及光斑直径d的关系来对焊接过程进行严格控制，降低了高硅铝合金激光焊接开裂风险，重点解决了高硅铝激光密封焊接成品率低的难题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高硅铝合金激光气密焊接方法包括：

步骤1：设置盒体硅含量Psi、盖板材料硅含量Gsi、焊接气密性M、焊接波形数量k之间满足公式1，其中焊接气密性M正比于激光波形数量k；

步骤2：盒体与盖板之间焊缝是由焊斑重叠，焊斑的重叠率ρ是与激光脉冲频率f、工件与激光束相对移动速度v以及光斑直径d来决定的，其关系可由下公式2表征：

v＝d(1－ρ/100)f

步骤3：结合步骤1、2，完成完成盒体与盖板焊接；

进一步的，所述硅含量为40％～70％的硅铝合金作为盒体，硅含量为15％～30％的硅铝合金作为盖板材料。

进一步的，所述激光输出波形包括依次预热阶段、焊接阶段以及冷却阶段，当硅含量为k/10时，设置k个激光波形数量；激光波形幅度在预热阶段设置为最高幅值的45％-55％；激光波形幅度在焊接阶段设置为最高幅值的100％-90％；激光波形幅度在冷却阶段设置为最高幅值的75％-25％；。

进一步的，所述盒体与盖板之间配合焊缝为0.05～0.15mm，高硅铝激光密封焊接重叠率75～85％，硅铝激光焊接速度v在100～250mm/min时，完成焊接。

进一步的，所述焊接速度100～250mm/min、焊接频率10～30Hz、激光器产生激光波的离焦量为-1～+1mm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明专利解决了高硅铝合金激光气密焊接的难题，采用了多温度梯度焊接即预热、焊接、缓慢降温方式降低了高硅铝合金中硅颗粒因急剧升温和冷却开裂的风险。同时采用匹配的激光焊接参数和匹配的盒体盖板材料，降低了高硅铝合金材料由于塑性差和强度低易开裂的风险，提高了激光气密焊接的性能。采用该方法后激光焊缝光亮平滑，高倍显微镜检测无裂纹，密封漏率小于5×10^-8mbar.l/s。未采用该方法时高硅铝激光密封焊接的漏率大于5×10^-5mbar.l/s，焊接成品率小于10％，采用该方法后焊接成品率高于95％。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是盒体和盖板对接激光焊接示意图。

图2是盒体和盖板搭接激光焊接示意图。

图1和2中，1为盒体；2为盖板；3为激光焊缝。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1.工件指的是盖板和盒体。

实施例一：

本发明焊接方法包括：

步骤1：采用硅含量为40％～70％的硅铝合金作为盒体，硅含量为15％～30％的硅铝合金作为盖板材料，设置激光焊接的波形3～6个(预热、焊接、缓慢冷却)、脉冲宽度3～6ms、焊接速度100～250mm/min、焊接频率10～30Hz、离焦量-1～+1mm。采用该参数焊接高硅铝合金，可以提高激光气密焊接密封性能；

步骤2：盒体与盖板之间配合间隙为0.05～0.15mm，通常间隙越大焊接气密性越差。盒体硅含量(P_si)、盖板材料硅含量(G_si)、焊接气密性(M)、焊接波形数量(k)之间可以拟合成一个公式。通常情况下焊接气密性能正比于焊接波形的数量，即焊接波形数量约多焊接密封性约好。焊接密封性能反比于盒体硅含量，盒体硅含量约高焊接密封性越差。

步骤3：焊缝是由焊斑重叠形成的，焊斑的重叠率ρ是与激光脉冲频率f和工件与激光束相对移动速度v以及光斑直径d来决定的，其关系可由下公式表征：

v＝d(1－ρ/100)f

其中高硅铝激光密封焊接重叠率75～85％之间，焊接效果比较理想，不同的焊接速度对焊缝的宽度和深度影响不大,但是对产品气密性能影响较大，当速度太低时焊接热量容易聚集，硅铝盒体容易产生裂纹而漏气。同样焊接速度过快因焊点重叠率太低，焊接强度太差，导致焊接漏气。硅铝激光焊接速度在100～250mm/min，比较合适。

其中激光波形的设置通常为预热-焊接-缓慢冷却，硅含量越高盒体越容易开裂漏气，冷却过程需要越缓慢。激光波形的设置跟盒体硅含量相关，通常硅含量为40％时设置4个波形，硅含量为50％时，设置5个波形，硅含量为60％时设置6个波形以此类推。激光幅度设置一般遵循45％-100％-75％-55％-35％-25％这个原则，能够很好的实现预热-焊接-缓慢冷却，避免硅颗粒急剧冷却而开裂。

用于激光密封焊接盒体和盖板装配方式有图1和图2两种，一种是盒体和盖板对接(图1)，另一种是盒体和盖板搭接(图2)。

实施例一：盒体和盖板对接焊接，盒体材料为AlSi(60/40)，盖板材料为AlSi(73/27)，激光焊接波形设置为4波形，，焊接气密性3.5×10-8mbar.l/s。实例2

实施例二：盒体和盖板搭接焊接，盒体材料为AlSi(50/50),盖板材料为AlSi(78/22)，激光焊接波形设置为5波形，焊接气密性4.7×10-8mbar.l/s.采用该参数激光焊缝光亮平滑、成规则的鱼鳞状，高倍显微镜检测无裂纹。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种高硅铝合金激光气密焊接方法，其特征在于包括：

步骤1：设置盒体硅含量Psi、盖板材料硅含量Gsi、焊接气密性M、激光波形数量k之间满足公式1，其中焊接气密性M正比于激光波形数量k；

步骤2：盒体与盖板之间焊缝是由焊斑重叠形成，焊斑重叠率ρ是与激光脉冲频率f、硅铝激光焊接速度v以及光斑直径d有关，其关系可由下公式2表征：

v＝d(1－ρ/100)f

步骤3：结合步骤1、2，完成盒体与盖板焊接；

所述激光波形依次包括预热阶段、焊接阶段以及冷却阶段，当盒体硅含量为k/10时，设置k个激光波形数量，激光波形幅度在预热阶段设置为最高幅值的45％-55％；激光波形幅度在焊接阶段设置为最高幅值的90％-100％；激光波形幅度在冷却阶段设置为最高幅值的25％-75％。

2.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金激光气密焊接方法，其特征在于所述硅含量为40％～70％的硅铝合金作为盒体，硅含量为15％～30％的硅铝合金作为盖板材料。

3.根据权利要求2所述的一种高硅铝合金激光气密焊接方法，其特征在于所述盒体与盖板之间配合焊缝为0.05～0.15mm，焊斑重叠率75～85％，硅铝激光焊接速度v在100～250mm/min时，完成焊接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种高硅铝合金激光气密焊接方法，其特征在于所述硅铝激光焊接速度100～250mm/min、焊接频率10～30Hz、激光器焊接离焦量为-1～+1mm。