鎢銅電子封裝材料氣密性分析

鎢銅合金在具有高密度、高強度以及良好耐電弧燒蝕性能的基礎上，又具有優良的導電導熱性能，在電觸頭、電極、熱沉電子封裝材料上有著廣泛的運用。而用於電加工的鎢銅合金電極、電觸頭等與用於電子封裝材料的鎢銅材料存在不同的性能要求。作為電子封裝材料，鎢銅不僅要具備高的熱導率，為了保證相關設備工作的穩定性，還要求其具有極高的氣密性，任何一點的孔隙和漏氣就會導致微波元件的工作失效。早在80年代，鎢銅就被選用呈電子封裝材料，由於其熱膨脹係數與一些陶瓷熱膨脹係數相接近，二者釺焊後不僅能保證熱匹配，又能形成良好的導熱通道。

理論上說，W和Cu是兩種理化性質差別較大的金屬，其二者熔點差別2000℃之多，且無法固溶或形成化合物，只能採用粉末冶金的製造工藝。最佳的工藝方法是熔滲法，其是將鎢粉壓實成一定密度的坯塊，經高溫燒結收縮形成具有一定密度的鎢骨架，然後在高於銅熔點的溫度下使銅液滲入鎢骨架中。由於鎢粉的硬度較高、可塑性較差，利用一般熔滲法製造的鎢銅合金都會存在一定的孔隙，相對密度只能達到60%左右。在高溫下燒結緻密化還會產生一定的閉孔隙，在滲銅過程中不能充分填充鎢骨架，降低了產品的氣密性。為了降低孔隙率就需要對相關工藝參數進行改進，以達到氣密性的要求。

單單依靠提高溫度使鎢坯收縮進而提高其密度，難以做到精確控制，使得出現熱匹配誤差，這也是常規熔滲氣密性最大的影響因素。有研究人員嘗試在超細鎢粉中添加進一定的活化劑，如鎳Ni、鈷Co、鐵Fe等，再混入銅粉，經過壓制成型和活化燒結後，鎢銅坯料的相對密度可達98%以上，能夠很好地解決鎢銅電子封裝材料氣密性的問題。但是其所添加的活化劑中的Ni、Co、Fe等元素會與W相和Cu相相互溶解，且Fe具有磁性，Cu含量的變化會直接影響材料的電導和熱導率，這樣也不適合於電子封裝行業的應用。因此，研究人員在此基礎上進行了工藝優化，其將鎢粉中混入少量的銅粉，這部分銅粉就能有效保留生坯的連通孔隙，在高溫高壓下進行熔滲時銅液就能夠有效充分地填充鎢骨架。

這部分銅粉也被稱為誘導銅，其主要主要作用在於兩個方面，其一是對鎢坯的增強作用，其二是對熔滲過程氣密性的保證。鎢粉硬度較高，可塑性較差，一般在壓力作用下，粉末之間容易產生“拱橋效應”。一旦壓力過大，拱橋力會使得坯料在脫模是發生破裂和分層，因而鎢粉的相對密度只能達到60%左右。而銅粉具有良好的可塑性，它能有效地破壞“拱橋效應”使鎢粉間產生塑性變形，兩種粉末能夠互為填充，相互嚙合，從而提高了鎢銅生坯的緻密度和強度。另一方面，由於初始鎢骨架中有均勻分佈的銅粉，在1350℃下進行熔滲時，這部分銅也轉化為液態並與骨架外的銅液互為補充，在表面張力的作用小還有較小比表面的趨勢。銅液在真空條件下的流動性增強，鎢骨架中的孔隙中不存在空氣，十分利於銅液的填充。

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