硅铝合金机械加工工艺研究

王亮

泰州市航宇电器有限公司，江苏 泰州 225300

摘要：硅铝合金因为优异的性能，在电子封装领域的应用越发广泛，但该材料在机械加工过程中存在不少问题，主要有刀具磨损过快、切削效率较低、容易造成崩角、冷却方式及安全防护措施的选择等。本文选取较为典型的Al-50Si高硅铝合金，针对过程主要问题进行分析并采取相应的控制措施，对刀具选择、材料热处理、加工方式及加工参数等方面进行工艺优化，实现产品的加工要求。

关键词：硅铝合金 电子封装 机械加工 Al-50Si

1 引言

电子封装用硅铝合金主要是指硅含量在11％～70％的共晶及过共晶合金材料，其密度低，散热性能优良，热膨胀系数与微波组件内部的芯片、基板相匹配，在电子封装领域具有巨大的应用潜力。为了满足膨胀系数匹配要求，应用最广泛的往往是硅含量较高的高硅铝合金，随着硅铝合金内硅质量分数的增加，材料的硬度和脆性也相应增加，给机械加工带来了一定的难度。

2 工艺分析

2.1 材料特性分析

不同牌号的硅铝合金，通过调整铝和硅单质的配制比例，合金密度在2.4 g/cm³～2.7 g/cm³之间，热膨胀系数CTE在6.8～20×10^-6/K之间，而热导率大于120W/m·K。其中Al-50Si高硅铝合金（以下称CE11）密度不到可伐的1/3，膨胀系数与传统半导体材料硅和砷化镓相匹配，而热导率为可伐的近10倍。同时，硅铝合金的力学性能也随着不同的配比发生改变，总体上，随着硅的比重增加，材料的强度有所下降，而刚度和硬度则有所增强，所以在加工CE11等高硅铝合金时，刀具磨损和崩角问题比较突出。

2.2 刀具分析

2.2.1 刀具材料分析

常用的刀具材料种类主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷等。因高硅铝合金刚度和硬度较高，考虑使用金刚石刀具及硬质合金刀具，由于金刚石刀具切削寿命、切削能力完全可以满足硅铝合金的切削加工，因此主要针对硬质合金材料进行分析。

硬质合金是由难熔金属碳化物（WC、TiC）和金属粘接剂（Co）的粉末在高温下烧结而成的。硬质合金可分为碳化钨基和碳化钛基两大类。我国最常用的碳化钨基硬质合金有钨钴类（如YG3X、YG6、YG8等）和钨钛类（如YT30、YT15、YT5等）。

相比于碳化钛基硬质合金，碳化钨基硬质合金的抗压强度、抗弯强度、及冲击韧性较大，基于硅铝合金对切削刀具钢性的要求，优先选择碳化钨基硬质合金刀具作为精修及清角刀具。

2.2.2 刀具规格选定

目前常见外壳产品的内R角最小为1mm，因此可选择的最小刀具规格应为φ2mm。同时，结合市场调研及试切可以发现，刀具选择面临的主要问题有两点，一是由于金刚石刀具为刀柄镶嵌金刚石刀片的结构，直径小于6mm的金刚石铣刀镶嵌刀片困难，成本较高；二是由于硅铝材料特性，单纯采用硬质合金铣刀会导致刀具磨损快，且切削效果不理想。

结合生产效率考虑，最终选用三种规格铣刀。其中直径较大的金刚石铣刀完成主要切削任务，再由直径较小的硬质合金铣刀进行清角。

3 主要问题及解决

3.1 刀具加工寿命较短

采用上工普通硬质合金铣刀切削寿命较短，φ4mm硬质合金铣刀可加工三只工件，刀具成本较高。

在市场调研过程中，咨询了刀具制造专家。结合咨询结果，先后实验了上工硬质合金铣刀、K44硬质合金铣刀、山高整体硬质合金铣刀。经过对比最终确定了K44为最佳硅铝合金加工硬质合金刀具，每只刀具可切削产品数量在10只以上。

3.2 加工过程材料表面发黑

硅铝合金在制备过程中材料之间存在的孔隙较大，加工过程中切削液渗透至壳体孔隙进而导致壳体表面发黑，采用酒精等有机溶剂浸泡清洗，无法清洗干净，会对后期表面处理产生一定的影响。

因此在实验过程中，采用了干切加风冷的工艺。经实验干切加风冷，完全可以满足硅铝合金的切削加工要求。但干切加风冷在切削过程中，容易产生粉尘，存在一定的安全隐患。

为了解决粉尘造成的安全隐患，采取如下措施：一、操作人员作业过程需要戴防尘面罩；二、定时清洗切削形成的粉尘，防止粉尘飞溅。

3.3 封口及侧壁崩角

崩
角是硅铝合金加工过程中存在的主要问题，也是硅铝合金加工能力的核心所在。加工过程中可以发现，崩角主要存在于两个位置——封口和内腔侧壁（如图1）。通过实验，总结了以下解决方案：

图1 侧壁崩角

3.3.1 热处理

为了改变材料的切削性能，在实施过程中进行原材料热处理，通过热处理达到优化材料晶粒结构，改善切削性能的目的。且在原工艺方案下料后进行热处理的基础上增加了粗铣后再进行热处理的工序。

3.3.2 优化切削方式

由于硅铝合金材料较脆，在切削过程如果切削力过大容易导致崩角，因此优先采用了顺铣的切削方式。

3.3.3 封口余量调整

封口留余量，切削后将封口崩角的部分铣掉。因铣加工过程每刀的切削量是固定的，因此缺口一般不会大于切削量，加工成型后在封口处铣削该深度则可将崩角缺口铣掉，采用该方案成功解决了封口崩角的问题。

3.3.4 精铣工艺顺序调整

按照工艺流程，铣内腔后再进行铣侧面。该工艺存在的主要问题为，由于内腔已经加工成型，侧面加工过程中在快要铣穿的时候会有较薄的材料在垂直方向受力，因此会导致较薄的一层薄膜材料整体受力脱落，进而引起崩角。为了防止内腔崩角问题，先将侧面铣削成型后再进行铣内腔。

3.3.5 侧面灌胶

通过材料的热处理、改善切削方式、优化切削工艺顺序等措施，问题得到了一定程度的改善，但是或多或少依然存在崩角的现象。经大胆尝试，采用将已加工好的侧壁用胶封起来再进行加工的方案，加工完成后将胶采用溶解剂溶解去除（改善如图3）。该方法选用了橡胶漆树脂清洗剂，该清洗剂不仅可以起到清洗作用，同时可以将胶溶解去除。

图
2 改善后状态

4 结论

硅铝合金的机械加工质量与材料本身特性、刀具选择和加工过程参数密切相关，通过对刀具的分析和组合选择，并合理设计工艺方案，保证了整体的质量水平。同时，在过程中调整冷却方式、优化切削方式、调整工艺顺序和余量，并创新性地采用灌封工艺，彻底解决了材料加工崩角的问题，为批量应用提供了经验基础。

参考文献

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[2] 王敬欣,张永安.应用于电子封装材料的新型硅铝合金的研究与开发[J].材料导报.2001,15(6):18-21.

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