小批量铝碳化硅T／R组件封装外壳的研制

摘 要：T／R组件是相控阵雷达的关键部件，对封装外壳材料提出了极高的要求。本文介绍了小批量T／R组件封装外壳研制中的关键技术，如近净成型预制件技术、真空气压浸渗技术和机械加工技术。

关键词：铝碳化硅复合材料；预制件；T／R组件；封装外壳；真空气压浸渗

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A

1 前言

海湾战争和科索沃战争表明，军用雷达面临复杂多样的战术环境，威胁日益加剧，以固态有源相控阵技术为基础的多功能雷达可实现无惯性扫描，能够跟踪多目标，且具有自适应能力，可逐步实现雷达智能化以及进行大容量实时数据处理，是未来舰载、机载火控雷达、预警机机载雷达等军用雷达的主要发展方向。机载有源相控阵雷达最大的难点在于T／R组件的制造上，因为机载雷达对体积和重量的限制更为严格。美国在1988年到1991年完成了配装F22战斗机的AN／AGP-77雷达的飞行试验，该雷达有2000个T／R组件，综合了探测、敌我识别、电子侦察和电子于扰等多功能于一体。除了AGP-77雷达外，美国还在原多普勒雷达上进行改进，换装相控阵天线，如计划给F18战斗机换装APG79雷达和给F15换装APG63(V)3雷达等。英、法、德三国联合研制机载固态多功能有源相控阵雷达，2001年已经完成具有1200个T／R组件的全尺寸样机的试
验工作，但离实用化还有一定的距离。前苏联在八十年代初即研制出无源相控阵雷达，装备于米格战斗机上，目前俄罗斯正在努力发展有源相控阵雷达，但离实用化也有很大的距离。

机载火控雷达的T／R组件工作频率高，安装密度高，是微波领域多芯片组装的组件，由于采用了多个砷化镓单片集成电路(GaAsMMIC)，它们必须封装在一密封外壳内，对外壳材料提出了极高的要求。常见封装、基板、芯片材料的性能如表1所示。外壳封装材料要同时满足高的热导率(散热速度快)、低的热膨胀系数(与芯片的膨胀系数相匹配)的要求，传统上封装外壳采用Kovar合金，它的热膨胀系数适中，价格廉价，但热导率只有14W／(m·℃)；不能满足现代大功率集成电路的散热要求。现
代规模较大的相控阵雷达有数千至上万个TR组件，Kovar合金的密度偏高，不能满足机载相控阵火控雷达的要求，以1000件T／R组件机载有源相控阵雷达为例，用A1SiC取代Kovar合金，雷达减重可达34千克，减重效果非常明显，而且AlSiC复合材料的热导率是Kovar重可达34千克，减重效果非常明显，而且A1SiC复合材料的热导率是Kovar合金的十多倍。
因此，AISiC复合材料在上世纪八十年代末在美国首先秘密研制和应用、随后法国、日本、奥地利等国家亦迅速跟进研制并得到应用^[1-5]。

作者在前期研制出T／R组件外壳的基础上^[6]，改进和优化工艺方法和路线，研制出了形状如图1所示的小批量T／R组件封装外壳。

2 研制

2.1 碳化硅预制件

铝碳化硅封装复合材料的碳化硅颗粒体积分数通常高达55-74％，机械加工较困难，为提高生产效率，降低成本，要求机械加工量愈小愈好，因此要求碳化硅预制件具备近净成型，从而确保浸渗铝合金构件仍具有近净成型的优点。为此我们采用粉末注射成型技术和双向模压成型技术制备了近净成型的碳化硅预制件。^[7]

粉末注射成型工艺流程如图2所示。采用W63、W7两种粒度的SiC粉末，按照一定的比例将两种粉末混合。根据SiC的特性，配置了一种特制的粘结剂，将该粘结剂和粉末进行混炼，然后采用溶剂进行脱脂，当脱脂到一定程度后放人预先配置好的磷酸盐溶剂中，最后进行热脱脂获得预制件坯体。在脱脂坯中加入一定的磷酸盐是为了保证SiC坯件脱脂后的强度，避免真空浸渗铝合金时预制件开裂。研制了一种新型的粘结剂。通过调整粘结剂中HDF、EVA、PW、SA的比例，提高该粘结剂对SiC的装载量及混合均匀性，进而大大提高了喂料的流动性。使用该粘结剂，在SiC装载量为65％、68％时均能完成注射并得到无缺陷的样品。

采用双向模压法制备近净成型碳化硅预制件的关键因素是模具设计和粘结剂配方。图1所示的预制件尺寸较大，且四个角上有方形台阶，内腔为沉孔，壁厚仅为1．5mm，同时碳化硅生坯强度不高，因此将模具设计组合模。图1四角方形台阶内有圆形通孔，内腔中有方形通孔，由于它们的定位尺寸要求高，因此在制备预制件时暂不予考虑。预制件中的粘接剂不仅要求保证生坯强度高，以便脱模和搬运；保证碳化硅浆料可塑性好，以利充型；而且要求高温下抗压强度高，以利压力铸造成型。为了提高预制生坯强度和可塑性，在粘接剂中加入室温下呈固态的高分子量的聚乙二醇、糊精和淀粉。烘干处理后的带金属镶嵌件的碳化硅预制件样品如图3所示，图中凸台黑色中心部分为金属镶嵌件。

2．2 真空浸渗铝合金

采用挤压铸造工艺往预制件中浸渗铝合金时，由于铝基体与碳化硅不润湿，当铝液在压力作用下进入模具后，在复合成型过程中，受到各种阻力的作用，主要包括预制件中的气体阻力Pg、凝固阻力Pf、毛细作用力Pc、铝液自身重力G、铝液与纤维间的磨擦阻力．厂以及充填时端部紊流引起的非线性力等^[8]。其中气体阻力Pg、凝固阻力Pf、毛细作用力
Pc是主要的作用力。因此模具预热温度通常在550-630℃之间，浸渗压力在50-100Mpa，而由于预制件抗压强度通常在30Mpa左右，且往往很难做到与挤压铸造成型模具完全一致，因此在挤压铸造时预制件很容易开裂，导致外壳中出现明显的铝带，如图4所示。采用真空气体浸渗铸造浸渗铝合金，首选炉体真空度可达5Pa左右，气体阻力大大减少，其次
预制件温度通常在铝合金凝固点左右，浸渗过程中凝固阻力也降低不少，因此浸渗阻力主要是毛细作用力，所以真空气体浸渗压力为8MPa左右，浸渗铸造时基本不会导致预制件开裂。先设计了一套一次浸渗15次的金属成型模，由于金属模具热容量大，铝液冷却速度慢，有时会造成明显的集中缩孔，如图5所示。随后对浸渗模具进行重新设计，采用不锈钢方管作模具，预制件中间放置芯模，由于方管尺寸小，气体加压时构件冷却速率明显提高，消除了集中缩孔缺陷；每根方管可装8件，一炉可装7根方管，每炉次可以生产56件外壳。模具设计简单，脱模方便，可明显提高生产效率，降低生产成本。

2．3 机械加工

首先采用高速铣床和金刚石磨铣工具，对外壳外型尺寸进行粗加工。经过高温浸渗后外壳表面和内腔都有少量铝合金层，由于铝合金与AISiC复合材料膨胀系数相差2倍以上，因此粗加工后外壳中应力会重新分布，为减少以后工序变形，在磨削工艺前应进行一次尺寸稳定化处理。磨削加工后，不同试样间长宽高三个方向的尺寸要尽是保证不超过 O．02mm，以利于后序电火花精加工。为提高电火花精加工效率，设计了一套四件同时进行电火花加工的模具，试验结果较理想，关键是前面磨削时要保证外壳外型尺寸一致，数控加工后加工余量要尽量小。四周台阶处的圆孔采用高速钻铣床和专用工装模具，钻一个中2．8圆孔只需30秒钟。采用数控加工中心和金刚石铣刀对内腔进行粗加工和精加工，
然后再电火花精加工成型，明显提高了加工效率。采用以上工艺路线研制的小批量外壳半成品和成品见图6。第一、二排为半成品，第三、四排为成品。

3 结束语

采用粉末注射成型和双向模压成型技术制备了近净成型的碳化硅预制件；用不锈钢方管作真空浸渗模具，消除了集中缩孔缺陷，同时提高了生产效率，降低生产成本；采用数控加工中心和金刚石铣刀对内腔进行粗加工和精加工，然后再电火花精加工成型，明显提高了加工效率。采用上述工艺路线研制了小批量T／R组件封装外壳样品，为A1SiC电子封装材料工业生产积累了经验。