高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣特性

劉云彥 李家峰 聞強苗 白晶瑩 崔慶新

(北京衛星制造廠，北京 100094)

文 摘 針對高體分SiCp/Al復合材料氣密性問題，系統研究了鍍覆、原材料方向性對表面氦氣吸附性能影響規律。研究發現該材料經鍍覆處理后，其表面氦氣吸附合格率提高20%，且隨著鍍層厚度的增加合格率逐漸提高；不同的機械加工方式對表面氦氣吸附合格率影響較小；原材料存在方向各異性，橫向切削下料方式下氦氣吸附合格率高達91%，縱向切削下料方式下合格率僅為68%。

0 引言

隨著航天技術的發展，對天線、微波及電子載荷產品的功率及容量提出了越來越高的要求，而單機載荷產品的大功率散熱成為制約其發展的技術瓶頸之一[1-4]。以T/R模塊、功率器件為代表的功耗組件對高導熱材料提出了迫切的應用需求。高體分SiCp/Al復合材料(SiC顆粒體積分數55%)具有密度低、線膨脹系數可調以及熱導率高等優點，在星載天線T/R模塊殼體、功放模塊殼體等具有廣泛的應用前景[5-7]。高體分SiCp/Al復合材料通過控制其碳化硅顆粒組分的含量來調節其線膨脹系數，以實現與功率器件、芯片等的熱匹配性，具體可應用在T/R模塊殼體、功放模塊殼體中的熱沉襯底、載體等零部件中。另外，為滿足高體分SiCp/Al復合材料與芯片、陶瓷組件等的焊接功能要求，需在其表面制備金、銀等鍍層[8-11]。

氣密性是T/R模塊殼體、功放模塊殼體等封裝組件的關鍵指標之一，氣密性較差會使外界水汽、有害離子或氣體進入多芯片組件中而產生表面漏電、參數變化等失效模式。在封裝組件完成蓋板封焊后，均需對殼體的氣密性進行100%的檢測[12-13]。在封裝組件充氦檢漏過程中，高體分SiCp/Al復合材料零部件由于材料表面疏松、孔隙率較大等問題，存在表面吸附氦氣特性，對封裝組件的氣密性檢漏結果產生干擾，因此封裝組件均對高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣的性能指標嚴格控制。

有關高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣的性能的文獻國內外鮮有報道，僅南京電子技術研究所[14]研究了鍍層厚度對高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣的性能指標的影響規律。目前，高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣的性能指標已成為航天領域封裝組件關注的重點。

本文系統研究了鍍層、機械加工方式以及原材料切削方向對高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣的性能指標的影響規律，能夠為降低高體分SiCp/Al復合材料零部件表面吸附氦氣量提供指導。

1 實驗

1.1 材料

高體分SiCp/Al復合材料中碳化硅顆粒體積分數為55%，材料由北方工業大學崔巖提供，制備方法為無壓浸滲。

1.2 方法

采用氦質譜檢漏儀進行，按照GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》進行測試，其中加壓條件為氮加壓0.4 MPa，2 h。

2 結果與討論

2.1 表面鍍層對吸附氦氣性能指標的影響

高體分SiCp/Al復合材料應用在熱沉襯底、載體等星載微波載荷產品時，為滿足焊接功能要求，均需在其表面制備金、銀或者鎳鍍層。因此，鍍層對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的影響需重點關注。圖1列出了鍍層對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的影響測試結果，可以看出：(1) 從圖1(a)中可以看出，高體分SiCp/Al復合材料在鍍覆前后表面吸附氦氣性能指標呈現出彌散性，部分試樣鍍覆后表面吸附氦氣性能指標變大，另一部分試樣鍍覆后表面吸附氦氣性能指標變小，但總的統計結果規律是高體分SiCp/Al復合材料經鍍覆處理后，其表面吸附氦氣性能指標合格率由54%上升至74%；(2) 從圖1(b)中可以看出，隨著鍍層厚度的增加高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的變化規律同樣呈現出彌散性，但總的統計結果是隨著鍍層厚度的增加，高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標合格率隨著鍍層厚度的增加而略有提高。

圖1 鍍層對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的影響Fig.1 Influence of plating on helium adsorption capability of high volume fraction SiCp/Al composites

圖2給出了高體分SiCp/Al復合材料及表面鍍層的微觀形貌，可以看出：高體分SiCp/Al復合材料表面存在微孔且粗糙度較大，而其表面鍍層則較為致密。表面吸附氦氣性能指標主要與材料表面致密度有關，鍍層的致密度較高體分SiCp/Al復合材料致密度高，可以一定程度上降低表面吸附氦氣的性能指標[14]。從圖1的結論可以看出，高體分SiCp/Al復合材料經鍍覆處理后，其表面吸附氦氣性能指標合格率提高20%，且隨著鍍層厚度的增加而增加。

圖2 高體分SiCp/Al復合材料基材及鍍層微觀形貌Fig.2 Micro morphologies of high volume fraction SiCp/Al substrate and plating

2.2 機械加工方式對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的影響

圖3給出了銑加工以及研磨加工兩種機械加工方式對高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附性能指標的影響規律，可以看出兩種不同的機械加工方式所生產的高體分SiCp/Al復合材料零部件表面氦氣吸附性能指標基本一致，總的表面氦氣吸附性能指標合格率也均在85%作用。因此，不同的機械加工方式對高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附性能指標影響較小。

圖3 機械加工方式對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標影響Fig.3 Influence of mechanical processing on helium adsorption capability of high volume fraction SiCp/Al composites

不同機械加工方式下高體分SiCp/Al復合材料表面微觀形貌見圖4，可以看出： 高體分SiCp/Al復合材料經銑加工處理后，較為粗糙；經研磨加工處理后，較為平整。但兩種表面狀態存在差異的基材，在完成表面鍍層制備后，表面吸附氦氣性能指標的測試結果基本一致。在鍍層制備過程中，一方面酸洗、堿洗等工序對基材表面狀態產生影響，另一方面鍍層結晶生長過程中的“整平”作用也進一步降低了基材初始表面狀態的差異所導致的最終粗糙度的差異[5]。此外，從2.1中的研究結果，也可以看出：在鍍層厚度達到一定數值后，表面吸附氦氣性能指標除了與基材本身有關，也與鍍層有關。

圖3的測試結果表明，雖然經研磨機械加工處理的高體分SiCp/Al復合材料表面粗糙度較銑加工處理的表面粗糙度優，但表面鍍層制備后，氦氣吸附量測試結果卻基本一致。因此，在實際生產過程中，機械加工方式對表面吸附氦氣性能指標影響較小。

圖4 不同機械加工方式下高體分SiCp/Al復合材料表面微觀狀態Fig.4 Micro morphologies of high volume fraction SiCp/Alsubstrate on different mechanical processing

2.3 原材料切削方向對高體分SiCp/Al復合材料表面吸附氦氣性能指標的影響

某型號實際生產過程中，通過對近2 000件高體分SiCp/Al復合材料熱沉襯底零部件的表面吸附氦氣性能指標測試，發現高體分SiCp/Al復合材料存在方向各異性，見表1。可見SiCp/Al復合材料熱沉襯底零部件，采用完全相同的機械加工工藝、表面鍍層制備工藝及表面吸附氦氣測試方法，同一批次橫向切削、縱向切削零部件實際生產過程中交叉同步完成。因此，除了原材料下料的方向性存在差異外，近2 000件熱沉襯底在機械加工、鍍層制備以及后續測試各個工序的參數完全一致。另外，每批次生產的高體分SiCp/Al復合材料熱沉襯底表面吸附氦氣性能指標合格率，采用橫向切削方式下料的產品一次合格率均高于采用縱向切削方式下料的產品一次合格率。連續6個批次下，橫向切削方式下料的產品一次合格率均在84%以上，縱向切削方式下料的產品一次合格率均在80%以下。而經匯總統計的表面吸附氦氣性能指標合格率數據，采用橫向切削方式下料的產品一次合格率高達91%，遠高于采用縱向切削方式下料的產品一次合格率68%的測試結果。

不同切削方向下高體分SiCp/Al復合材料表面的微觀特征見圖6，可以明顯看出：橫向切削下料的高體分SiCp/Al復合材料產品表面碳化硅顆粒組分的含量較低，而縱向切削下料的高體分SiCp/Al復合材料產品表面碳化硅顆粒組分的含量較高。碳化硅顆粒組分含量越高，高體分SiCp/Al復合材料制備過程中產生的兩種組分界面微孔隙也越高，導致氦氣附著的量越大；碳化硅顆粒組分含量越低，高體分SiCp/Al復合材料制備過程中產生的兩種組分界面微孔隙也越低，導致氦氣附著的量越小。

表1 不同切削方向下高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附性能指標測試結果Tab.1 Helium adsorption capability of high volume fractionSiCp/Al composites on different cutting direction

圖6 不同切削方向下高體分SiCp/Al復合材料表面微觀特征Fig.6 Micro morphologies of high volume fraction SiCp/Al substrate from different cutting direction

3 結論

通過鍍層制備、機械加工方式以及原材料切削方向對高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附性能指標影響規律的研究，可以得出以下結論：

(1)高體分SiCp/Al復合材料經鍍覆處理后，其表面氦氣吸附量降低，且隨著鍍層厚度的增加其氦氣吸附量逐漸減小，鍍覆處理后合格率提高20%；

(2)不同的機械加工方式對高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附性能指標影響無影響，說明氦氣主要附著在高體分SiCp/Al復合材料表面微孔隙中，宏觀表面粗糙特征不足以附著氦氣分子；

(3)高體分SiCp/Al復合材料存在方向各異性，不同的原材料切削下料方向對高體分SiCp/Al復合材料表面氦氣吸附量具有重要影響，其中橫向切削下料合格率為91%，縱向切削下料合格率為68%。