Research status and development trend of composite materials for phased array radar T/R module packaging
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摘要: 随着航空航天、军工、电子技术的迅猛发展，封装方式与封装材料已成为电子设备进一步实现小型化、轻量化和高性能的重要制约。相控阵雷达T/R模块封装材料经历了从第一代的可伐合金到第二代的铜钨合金及近些年来兴起的以铝为基体的第三代轻质材料—碳化硅颗粒增强铝基复合材料和高硅铝合金，而二者的制备和加工技术仍存在的问题成为限制第三代材料全面推广和应用的重要瓶颈。本文综述了新一代封装材料的制备方法、机械加工性能、焊接工艺及表面处理等，详细介绍了新一代相控阵雷达T/R模块封装复合材料加工和应用的研究技术现状，并对其发展趋势进行展望。Abstract: With the rapid development of aerospace, military, and electronic technologies, packaging methods and packaging materials have become important constraints for electronic devices to further achieve miniaturization, lightweight, and high performance. Phased array radar T/R module packaging materials have experienced from the first generation of Kovar alloy to the second generation of copper-tungsten alloy, and the emergence of the third generation of lightweight materials with aluminum as the matrix in recent years-silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composite material and high silicon aluminum alloy, and the problems in the preparation and processing technology of the two have become an important bottleneck restricting the comprehensive promotion and application of the third generation of materials. In this paper, the preparation methods, machining properties, welding processes, and surface treatment of the new generation of packaging materials are reviewed, and the research technology status of the processing and application of the new generation of phased array radar T/R module packaging composites is introduced in detail, and its development trend prospects.
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相控阵雷达(Phased array radar)是利用大量个别独立移相开关控制的小型天线单元排列成天线阵面，通过控制各发射天线单元发射的相位而合成不同相位波束，而接收天线单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量[1-2]。在相同的孔径与操作波长下，相控阵雷达因其反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性和电子对抗能力等都远优于传统机械扫描雷达，已成为新一代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志，但随之出现了材料制备与加工技术要求更高、功率消耗与冷却速率更大等需求[2-4]。
发射器和接收器(Transmitter and receiver，T/R组件)作为相控阵雷达的性能关键与运转核心，其体积、质量、性能、成本和可靠性直接决定电子整机各个相关指标[5]。随着电子技术的迅猛发展，电子设备进一步实现小型化、轻量化和高性能的主要制约已不再仅仅是芯片元器件本身，封装方式与封装材料在目前则显得更重要[6]。T/R模块封装提供电子器件与外界电和机械上的联系，对芯片器件有支撑、保护、供电和冷却的作用，这就对封装材料的性能提出以下要求[7-9]：
① 具有与芯片材料(目前通常为Si或GaAs)相匹配的热膨胀系数，避免不同材料与结构间因热应力而产生裂纹；
② 具有较高的导热率，避免因芯片升温过高或过快而引起的失效问题；
③ 具有足够的强度、刚度和一定的高温稳定性，能对芯片起到充分的保护和支撑作用；
④ 具有较高的致密度，避免芯片内部因漏气或氧化而导致雷达芯片无法正常运转；
⑤ 具有较小的相对密度，以满足材料的轻质化要求，减轻器件的质量；
⑥ 具有较好的机械加工和焊接性能，易于批量生产；
⑦ 在航空、航天和空间环境等特殊应用场合，不但要求具有较小的密度，还要求可电镀或化学镀的性能较好，同时应具有电磁屏蔽与抗射线辐射等特性。
1. T/R模块封装材料发展历程
至今，相控阵雷达T/R模块封装材料发展共经历三代。第一代主要以可伐合金(Kovar)和因瓦合金(Invar)为代表，材料选择主要基于其热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)能与芯片材料相匹配，可避免芯片的热应力损坏；随着大功率电子芯片的发展，以W/Cu和Mo/Cu合金为代表的第二代封装材料在兼顾热膨胀系数的同时，部分满足了封装件导热率(Thermal conductivity，TC)的需求，但较大的密度导致封装材料自重过大制约其全面推广。
近些年，微电子技术的发展使T/R组件的热流密度越来越大，提高材料导热性能以解决芯片散热问题成为T/R封装模块首要解决的关键技术之一，在航空、航天和空间环境等有减重期望的应用领域，更是对封装材料提出了比导热率(导热率与密度的比值)高的新要求。传统、单一的材料已经很难满足新一代T/R模块封装件所需的综合性能要求，在材料制备技术快速发展的基础上，金属基复合材料由于其可控可调的热膨胀系数和良好的导热性能逐渐走入T/R模块封装材料的舞台中心，其中密度较小的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al MMCs，工程上常称之为碳硅铝)和高硅铝合金(Si/Al MMCs，也称高硅铝)成为第三代T/R模块封装材料的代表。几种常用封装材料及其性能指标如表1所示。
表 1 常用封装材料及其性能指标Table 1. Performance parameters of common packaging materialsPerformance parameters Semiconductor materials 1st generation packaging materials 2nd generation packaging materials 3rd generation packaging materials Si GaAs Kover Invar W W/Cu Mo/Cu SiC/Al Si/Al CTE/(10−6 ℃−1) 4.1 6.0 5.9 0.4 4.4 7.6-9.1 7.2-8.0 7-17 7-17 TC/(W·(m·K)−1) 135 39 17 11 174 180-210 160-190 145-215 140-220 Density/(g·cm−3) 2.3 5.3 8.3 8.1 19.3 15.6 9.9 2.7-2.9 2.4-2.6 Notes: CTE—Coefficient of thermal expansion; TC—Thermal conductivity. 常见T/R模块封装盒体如图1所示。英国Aerospace Metal Composites采用高能球磨粉末冶金法制备出了25vol%SiCp/2124Al复合材料并应用于军用、航空航天等领域[10]。Osprey公司采用喷射沉积技术与热等静压相结合的方式制备出27vol%~70vol%SiCp/Al复合材料，热膨胀系数最高达1.7×10−5 K−1，成功用于航空航天产品的封装[11]。Raytheon/Pacific Aerospace公司采用50vol%SiCp/Al(CE11)合金制备出密封航空电子产品如图2所示，图3是我国研究人员采用SiCp/Al复合材料加工出的电子封装组件。
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相控阵雷达T/R模块封装盒体在制造过程中，通常需要完成以下几个步骤，复合材料的制备，采用车削、铣削、钻销等机械加工手段对复合材料进行钻孔和切削，加工成所需要的形状、尺寸，接着对盒体进行表面金属化(镀镍镀金)，提高壳体可焊性并保护元器件不受污染，最终进行盒体封装，制备流程图如图4所示。
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图 4 相控阵雷达T/R模块封装盒体制备流程图：(a)颗粒增强铝基复合材料的几种典型的制备方法[12]；(b) CE13 合金制备的雷达用封装外壳[11]；(c)镀金后铝基复合材料盒体[13]；(d)激光封焊铝基复合材料盒体[13]Figure 4. Flow chart of phased array radar T/R module packaging box preparation: (a) Several representative fabrication routes for particle reinforced aluminum matrix composites[12]; (b) Packaging shell for radar application prepared with CE13 alloy[11]; (c) Aluminum matrix composite box after gold plating[13]; (d) Laser sealing aluminum matrix composite box[13]2. 第三代T/R模块封装材料的制备与加工技术现状分析
第三代相控阵雷达T/R模块封装材料目前主要是以铝合金为基体的金属基复合材料，但要满足新一代T/R模块的高导热、低密度、高比刚度和良好的抗震能力等性能需求，通常要求增强相(SiC或Si)的体积分数不低于60vol%。随着非金属增强相体积分数的增加，原有的陶瓷相与金属相之间的物理、化学性能差异在更多的陶瓷—金属界面影响下进一步加剧，对铝基复合材料的制备技术、机械加工能力和连接方法等加工手段提出了更高的要求和新的挑战。
2.1 制备方法
封装材料的综合性能由SiC颗粒增强铝基复合材料和高硅铝合金的微观组织决定，而材料的微观组织取决于SiC或Si的比例、分布及结合方式等，主要受复合材料的制备方法和工艺影响。理想的第三代封装材料应具有如下特点：① 微观组织致密，无空洞等缺陷；② SiC或Si颗粒粒径相近且在铝基体中均匀分布；③ 增强体与基体之间界面结合牢固且不存在有害界面反应发生。
2.1.1 SiC/Al复合材料
当前，SiC/Al复合材料的制备方法根据方式不同可分为液态法、固态法和自然生成法，主要包括搅拌铸造、液态金属浸渗、粉末冶金、喷射沉积、原位合成法等，几种制备方法的优缺点如表2所示。其中适合制备满足电子封装要求(不低于60vol%SiC/Al)的工艺有液态金属浸渗、粉末冶金和喷射沉积法。
表 2 铝基复合材料的常用制备方法及优缺点[14]Table 2. Advantages and disadvantages of common preparation methods of aluminum matrix composites[14]制备方法 优点 缺点 搅拌铸造法 工艺简单，制备成本低，
适合大规模化生产增强体的体积分数有限，
分布不易均匀化液态金属浸渗法 可制备高体积分数增强体复合材料；增强相和基体
之间的润湿性好、产品气孔、疏松等缺陷少；同时还
可制备形状较复杂的零部件预制体容易变形，
设备较复杂，
生产成本相对较高粉末冶金法 增强相分布均匀，
界面反应易于控制、
工艺参数可选择设备成本高，工艺复杂，制备周期长，零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制 喷射沉积法 界面反应易于控制，基体金属的晶粒细小且均匀，无宏观偏析，且增强相的体积分数及粒度也不受限制 原料浪费严重，成本很高 原位生成法 增强体表面无污染，与基体相容性好，结合强度高 增强相的形成、均匀化分布及有害反应难以有效控制 液态金属浸渗法根据液态金属浸渗时是否施压可分为无压浸渗和压力浸渗法，无压浸渗法是将熔融状态下的金属基体液倒入预先制备好的增强相预制体中，自发渗入到预制件孔隙，冷却后即可得到复合材料。该制备工艺优点为无需高压设备，主要靠金属基体液的毛细作用浸渗到预制体中，工艺简单，成本低廉；缺点是浸渗速度较慢，制备出的复合材料存在气孔、缩松，界面反应较多，润湿性较差[15]。谢斌等[16]采用无压浸渗法制备出55vol%~70vol%SiCp/Al复合材料，经测试发现所制备的复合材料组织致密，无明显浸渗缺陷，最佳热导率和热膨胀系数分别达到170.2 W/(m·K)、6.64×10−6 K−1。压力浸渗法是预先将增强体颗粒装入模具中制成预制体，通过外界压力作用使熔融金属基体液浸渗到预制体中。采用该工艺制备复合材料周期短，制得的复合材料组织致密，成分均匀，润湿性能好；但对设备和模具要求较高，成本高昂[17]。龚燕妮[18]通过正交模拟浸渗试验，对真空气压浸渗工艺实现了优化，采用优化后参数制得体积分数为 78vol%的SiCp/Al复合材料，其心部基体材料和增强相两相的界面状态有所改善，没有明显疏松、缩孔等缺陷，热导率、热膨胀系数和密度分别为 204.11 W/(m·K)、 8.95×10−6 K−1、3.07 g/cm3。原始参数和优化后参数制备的SiCp/Al复合材料心部的组织形貌如图5所示。
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粉末冶金法的制备工艺路线如图6所示。采用此方法制备的复合材料基体与增强相结合良好，颗粒分布均匀，工艺参数可选择；但粉末易团聚，致密度较低，孔隙度较大，需进行挤压或轧制等二次处理。史艳艳[17]采用粉末冶金法制备了70vol%β-SiCp/Al复合材料，研究发现增强体的粒度对复合材料的性能有所影响，当增强体粒度增大时，复合材料的相对密度、TC、CTE得到提高，并随着粒径配比中粗颗粒质量比的增大TC、CTE提高，最终确定了复合材料的最佳烧结温度690℃、烧结压力30 MPa、保温时间1.5 h。
喷射沉积法是雾化后的熔融金属与增强体颗粒在惰性气体作用下，通过喷嘴喷射并沉积到底板上，快速冷凝制备复合材料的一种工艺。采用此方法制备复合材料可使晶粒细化，减少界面反应，界面润湿性好，且增强相的粒度和体积分数不受限制，但制备成本高，需要高压和喷射设备，孔隙度较大，需通过热等静压或挤压致密化处理。吉喆等[19]采用多层喷射沉积技术制备出SiCp/7075Al复合材料，发现坯料经挤压处理再经循环压制后，SiC颗粒破碎，尺寸变小，颗粒沿挤压方向呈带状分布，制备出的复合材料致密度较高，SiC颗粒分布均匀。
2.1.2 高硅铝
高硅铝的成型工艺主要有熔炼铸造法、浸渗法、喷射沉积法、粉末冶金法和原位生成法。熔炼铸造法是制备高硅铝合金的常用方法，当硅含量高于17vol%时，容易产生粗大、不规则的初晶Si相，导致各向异性，脆性较大，严重影响合金的韧性和加工性能。通过添加变质剂(P、P-Ce、Sr)等可改良初晶Si相的尺寸、形貌，达到细化作用；当Si含量高于25vol%时，即使添加变质剂也无法显著细化晶粒[20-21]。采用该方法制得的高硅铝硅含量最高仅达30vol%左右，难以满足电子封装材料要求。
采用无压浸渗法制备高硅铝合金，工艺简单、成本较低，但由于增强体颗粒与铝基体润湿性较差，在浸渗过程中，铝金属液难以浸渗到Si预制体中，容易产生气孔、空洞等缺陷，生产周期长[22]。采用压力浸渗法制备高硅铝合金，颗粒分布均匀，孔洞、疏松等缺陷少，但压力过大会造成预制体破坏，生产成本高。通过采用合适的浸渗温度、时间、压力大小及Si预制体结构和增强体颗粒尺寸，可以获得性能优良的高硅铝复合材料[23]。
喷射沉积法制备高硅铝可以细化初晶Si相，致密度高，无宏观偏析，但制备的材料有时存在孔隙或非完全冶金结合，降低材料的力学性能，常需进行热挤压[24]。研究最为成熟的英国Osprey公司采用此方法制备出了Si含量高达70vol%的铝硅合金，其内部组织致密，成分均匀[25]。利用粉末冶金法制备高硅铝，尺寸较细化，可到微米甚至纳米级，增强相分布均匀，成型良好。但工艺复杂，粉末易氧化团聚，致密度不高。冀恩龙[26]采用粉末冶金液相烧结方式制得Al-60vol%Si合金，材料的密度最高可达2.469 g/cm3，硬度值最高达到HBW 200.5，热导率最大值达到124.88 W/(m·K)。
此外，采用粉末冶金法将不同硅含量的材料制备成一个整体，可制备出梯度高硅铝合金，这是一种各区域硅含量可调的功能材料，兼顾高硅铝的低热膨胀系数和低硅铝的良好焊接性[27]。李艳霞等[28]以A390铝合金为原料，采用半固态触变成形工艺制备出近活塞形的梯度高硅铝试样，测试发现试样杯底硬度达到HBW 138.7，经T6热处理后抗拉强度为275 MPa，同时具有良好的耐磨性，满足活塞使用要求。梯度高硅铝虽然具有较好的热力学性能，但由于各梯度硅含量不同，导致二者界面处的成分和性能是突变的，如热膨胀系数不同，在受热状态下存在界面热应力导致材料的剥离、失效等。
2.2 机械加工技术
2.2.1 SiC/Al复合材料
SiC/Al复合材料的机械加工不同于传统金属加工，由于硬脆增强体的存在，复合材料加工困难，具体表现为复合材料中含有大量尺寸、形状各异的增强相，采用普通的高速钢和硬质合金刀具进行加工，刀具与SiC颗粒的尖角、边棱磕碰，造成刀具崩刃或产生凹坑，刀具磨损严重，难以保证切削质量；SiC颗粒尖角处容易产生应力集中，且SiC颗粒四周应力分布不均，加工时易产生裂纹，引起各种损伤，缩短工件的使用寿命并降低其安全性，更甚者造成零件报废；加工过程中切削增强体颗粒，在细化颗粒尺寸的同时，SiC颗粒从基体表面脱落、破碎给材料表面留下孔隙或空洞等缺陷，材料表面粗糙度大，表面光洁度差[29]。复合材料难加工的特性，使对刀具的几何形状、耐磨性及工艺参数等都提出更加严苛的要求。国内外学者对此做了大量研究，铝基复合材料的机械加工方法如图7所示。
在传统加工研究方面，研究人员通过车削复合材料的切削力来判断刀具磨损的性质、严重程度及工件表面质量[30-31]。Davim等[32]用聚晶金刚石(PCD)刀具车削铝基复合材料，发现了切削力对刀具磨损的影响。对刀具寿命评估表明，较高的切削速度会增加刀具磨损，磨粒磨损是最主要的磨损类型。此外，切削深度和进给量对复合材料表面质量有很大影响，随着切削深度和进给量的增加，刀具磨损增加，表面质量降低。表面质量由用于车削复合材料的刀具决定，由于刀具材料的晶粒尺寸会影响加工表面质量[33]。在切削过程中，刀具材料应有足够的强度来抵抗切削过程中刀具的磨损。当前用于复合材料加工的刀具材料主要有PCD、立方氮化硼(CBN)、碳化钨(WC)、氮化硅(Si4N3)刀具等。相比较而言，PCD刀具在切削铝基复合材料时具有更长的使用寿命[34]，但较高的成本限制其发展。在硬质合金基体上使用涂层(TiN、TiCN、Al2O3)，可有效降低刀具磨损，在延长刀具寿命方面表现显著；涂层的厚度也对刀具寿命有较深影响，双层和多层涂层涂覆的刀具具有更好的可加工性。另一方面，在较低的切削速度和较高的进给量下，涂层刀具的表面质量明显优于未涂层刀具[35]。
Sun等[36]通过涂层硬质合金刀具的高速端铣实验，揭示了切削速度对切削力、切削温度、表面粗糙度、表面微观形貌、残余应力和刀具磨损的影响。随着切削速度的增加，切削力、切削温度和表面粗糙度也增加；采用TiNAl涂层硬质合金刀具高速铣削复合材料时，刀具表现出良好的耐磨性，同时获得较好的表面质量。Arokiadass等[37]采用端铣削方法对SiCp/Al复合材料进行了加工，发现与切削深度相比，切削速度和进给量是影响表面质量的主要因素。Turgut等[38]对SiCp/Al复合材料进行铣削加工，研究发现随着进给量和切削深度的增加，切削力会上升，随着切削速度的增加，切削力会降低。此外，切削速度和切削深度越大，表面粗糙度越大；相同条件下，涂层刀具的表面粗糙度降低。
Barnes等[39]对不同热处理条件下的18vol%SiCp/2618Al复合材料进行钻孔实验，较软的基体材料在加工过程中产生较高的毛刺，钻孔表面质量较差，得出基体的热处理对材料的可加工性有显著影响。Tosun等[40]研究了钻头类型、钻头尖端角度和时效对17vol%SiCp/2124 Al钻孔性能的影响。指出在钻孔过程中，由于基体软化，SiC颗粒易发生移动，同时，切屑易被分割，发生韧性断裂，不同的钻头类型和钻角对材料的亚表面损伤的影响不同。Zhou等[41]使用PCD刀具对55vol%~57vol%SiCp/Al复合材料进行钻削实验，得出钻削深度对钻削力影响最大，其次是材料表面边缘缺陷的大小。通过微观测试发现碳化硅颗粒的破碎和边界剥离是其去除机制。总结出采用适当的刀具前角、高钻削速度和小钻削深度可有效减小切削力进而保证钻削边缘质量。
李德溥[42]使用电镀金刚石砂轮对45vol%含量的SiCp/Al材料进行磨铣加工，研究发现，加工表面较粗糙，存在材料剥落形成的凹坑和金刚石磨粒留下的切削划痕，加工表面形貌如图8所示，并随着主轴转速的提高及进给速度和磨削深度的减小表面粗糙度降低。为解决铝基复合材料在加工过程因基体软化产生积屑瘤造成堵塞等问题，关佳亮等[43]开发出铝基复合材料专用Electrolytic In-process Dressing (ELID)磨削液并对体积分数为60vol%的SiCp/Al进行磨削。结果证明，该磨削液显著提高加工质量和加工精度，实现了铝基复合材料的精密磨削加工。Yu[44]利用三维有限元模型对金刚石砂轮加工体积分数为54vol%~58vol%的SiCp/Al复合材料的磨削加工过程进行模拟，仿真结果显示磨削力随砂轮转速的增加而减小，随磨削深度和进给速度的增加而增大，与实验结果相吻合。
传统加工方面，研究内容主要包括了加工过程中的加工参数、切削力及刀具磨损的程度，主要问题即加工过程中由于硬质的SiC颗粒的存在导致刀具磨损严重，研究人员通过探究合理的加工参数并对刀具进行改性，以期望减轻刀具的磨损从而获得理想的加工表面质量。采用非传统机械加工可较好避免刀具磨损，提高加工效率和质量。Dhar等[45]通过开展SiC增强铝基复合材料的电火花加工实验，研究了加工电流、脉宽和电压等因素对材料去除率、电极损耗率及径向过切率的影响，并利用实验结果建立了相关数学模型。张文超[46]针对铝基复合材料电火花加工时的非均质特性、SiC颗粒的屏蔽性，电极磨损较高，对SiCp/Al复合材料进行电火花加工仿真及试验研究，得出随着放电能量的增加，电极相对损耗率增加，材料表面粗糙度增大，采用加工过程中将增强体颗粒以固态形式去除的高效抛出加工方法，较传统电火花加工效率提升了20.83%。
Müller等[47]将激光加工与电火花加工后的复合材料特性进行比较，结果表明在相同时间内激光加工具有较高的材料去除率，但激光加工比电火花加工需要承受更高的热负荷。通过相应减少激光加工时的进给速率可降低表面粗糙度[48]。
Dong等[49]使用PCD刀具对45vol%SiCp/Al复合材料进行超声振动辅助车削加工，研究了切削参数对切削力和表面质量的影响。实验结果表明：相较于传统车削，采用超声振动可使刀具与加工材料间歇性接触，有效降低切削力和刀具磨损程度，并取得较好的加工表面质量，PCD刀具在传统车削和超声振动辅助车削过程中的侧面磨损形式如图9所示。王兴文[29]采用超声铣削的方法对SiCp/Al复合材料进行加工，研究发现在超声铣削SiCp/Al复合材料时，切削力主要由切屑形成力、SiC断裂破碎力、超声冲击力、摩擦力组成，并建立了数学模型。使用合理的铣削速度、每齿进给量及超声振幅等参数，可以降低铣削过程中的铣削力。
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2.2.2 高硅铝
高硅铝在加工过程中，产生的切屑容易黏结，形成积屑瘤，造成工件表面划伤，表面质量较差；随着硅含量的增加，摩擦力增大，刀具磨损严重，难以获得较小的表面粗糙度；材料脆性强，切削加工后工件容易变形，高硅铝同样具有难机加工的特性。
国外Humberto等[50]分别采用化学蚀刻和CrN/Cr中间层的方法获得了高硅铝用CVD 金刚石涂层 WC-Co车削刀具，并对高硅铝进行切削加工，研究了不同预处理对涂层刀具的附着力和性能的影响。实验表明：化学蚀刻方法在提高干切削加工时金刚石涂层附着力方面的作用要优于CrN/Cr中间层。Soares等[51]利用硬质合金和PCD刀具对高硅铝合金进行切削实验，比较了不同刀具对高硅铝切削性能的影响。结果表明：未涂层的硬质合金刀具配合简单的切屑器切削力较低，获得较小的表面粗糙度。同时得出进给量和切削深度对切削性能影响最大。Oussama等[52]采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对硅含量为53vol%的快速凝固高硅铝合金进行铣削试验，研究发现，较低的切削速度和进给速度能够获得较好的表面质量，对加工后的高硅铝进行显微组织分析，发现硅颗粒和铝基体间没有裂纹，硅颗粒也没有从基体中脱落，加工难点主要是刀具磨损。Farid等[53]研究了高速钻削铝硅合金时，无涂层、TiAlN和AlTiN涂层刀具的性能和磨损机制，得出在本文中AlTiN涂层刀具寿命最长，表现出优异的性能，刀具主要的磨损机制为塑性变形、扩散、摩擦、磨损和断裂。
高敦升[54]采用金刚石涂层刀具和氮化碳涂层刀具对高硅铝合金进行了对比切削试验，金刚石涂层刀具加工材料表面粗糙度小、刀具寿命长，但随着不断使用，涂层局部脱落；氮化碳涂层刀具切削时积屑少，切削效果显著，选择合适的刀具角度能够保证切削质量。李晓臣等[55]通过硬质合金立铣刀加工高硅铝合金的切削试验，分析铣削四要素(切削速度、进给量、铣削宽度和背吃刀量)对铣削力和铣削温度的影响，随着进给量和被吃刀量的增加，铣削力增加；随着主轴转速和背吃刀量的增加，铣削温度不断升高，铣削宽度对二者几乎无影响。周晓辉[56]采用TiAlN涂层刀具和金刚石涂层刀具，分别对含硅量50vol%的高硅铝合金CE11进行铣削加工切削性能分析，发现二者都优于硬质合金刀具的切削性能，金刚石涂层刀具在低速大进给条件下加工效率最高，且铣削温度、铣削力都较低；进给量、铣削深度对铣削力影响很大，铣削速度对切削力影响不大；并利用有限元仿真技术研究切削过程，降低试验成本。胡富强等[57]采用常规电火花和超声电火花复合加工技术，比较了两种方法加工高硅铝合金后的材料表面性能，测试表明超声电火花复合加工技术在提升加工表面性能(显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性等)方面表现优异。
2.3 连接技术
作为电子封装材料，通常需要加工成盒体的形状跟盖板装配后焊接形成一个封闭的整体，保护盒体内部半导体芯片和电子电路安全、稳定地工作[13]。SiC颗粒增强铝基复合材料由于增强相(SiC)与基体材料(铝合金)在物理化学性质上具有巨大差异，焊接性能较差[58]；高硅铝合金由于基体材料铝的含量较高，极易氧化，同时焊后容易产生气孔、裂纹、未焊透等缺陷，焊接性同样较差。国内外学者对其焊接方法及工艺进行广泛研究，主要分为3类：熔化焊、固相焊、钎焊。
2.3.1 熔化焊
采用熔焊方法焊接SiCp/Al复合材料与高硅铝时，共同存在的主要问题是：①大量固态增强体存在于液态熔融基体中，降低熔池的流动性，使其发生黏滞，影响焊缝成形；②复合材料基体与增强体的膨胀系数、导热系数等物理性能相差悬殊，经焊接热循环后在基体与增强体界面上有微区残余应力，从而加剧接头性能恶化。除了上述两种相似的问题外，SiCp/Al复合材料与高硅铝的熔化焊接，仍有各自需要特别关注的难点。
熔化焊焊接温度较高，Al基体与SiC颗粒发生界面反应，生成Al4C3脆性相，降低焊接接头力学性能。研究人员通过添加不同焊丝、中间合金作为填充材料，以改善熔池流动性，同时抑制界面反应，减少脆性相的生成。Urena等[59]采用钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas welding，TIG焊)对6vol%、13vol%和20vol%SiCp/2014Al复合材料进行焊接研究，发现在焊接过程中，由于焊接温度较高，复合材料中的SiC与Al发生反应，在焊接接头中产生脆性相Al4C3，导致焊接接头塑性和韧性较差。陈永等[60]选用铝硅焊丝作为填充材料，采用TIG焊的方法，在氦氩混合气体保护氛围下，对10vol%~16vol%SiCp/6061Al进行焊接研究，焊接接头的抗拉强度达240 MPa，经退火处理后，接头抗拉强度为271 MPa。程东锋[61]选用自研制的含Si、SiC、Ti、B等元素的原位增强实芯焊丝对10vol%~15vol%的SiCp/6061Al进行TIG焊实验，研究表明：焊丝中的Ti、Si元素改善了熔池流动性，抑制界面反应的发生，SiC和新生成的TiB2以增强相的形式均匀分布在焊缝中，改善了增强相在焊缝中分布不均和烧损的现象，从而提高接头强度，测试发现焊接接头的抗拉强度达185.5 MPa，为母材强度的68.7%，断裂机制为韧性断裂，断裂发生在母材和焊缝的过渡区。李俐群等[62]利用Ti-6Al-4V对45vol%SiCp/2024Al复合材料进行激光原位焊接，焊后对焊接接头分析得知，焊接接头的拉伸强度受到添加中间合金的厚度的影响，当中间合金厚度为0.5 mm时，焊接接头结合较好，抗拉强度达245 MPa；当中间合金厚度为0.8 mm时，焊接接头抗拉强度降低，接头断裂为脆性断裂。Lei等[63]采用等离子弧焊的方法，在氩氮混合气体氛围下，选用Ti-Si-Mg-Al作为中间合金对铝基复合材料焊接，对焊接接头进行分析，发现焊缝中无Al4C3脆性相的生成，焊接接头的抗拉强度达到了267 MPa。
高硅铝在熔化焊过程中，由于焊接温度较高，大量热输入导致硅晶粒长大，严重影响焊缝质量。采用激光焊能量较集中，加热和冷却速度快，热影响区小，焊缝成形质量好，常用于高硅铝材料盒体的封装，但焊接工艺参数较多，调节起来较困难。刘一[64]通过对高硅铝合金封装盒体进行激光焊接，并对焊缝组织界面和性能进行分析，发现高硅铝合金焊接时焊缝组织中气孔是主要缺陷，其次是热裂纹；当气孔尺寸超过100 μm时容易在焊缝中形成贯穿型气孔，严重影响焊接质量；残余应力较大值多集中在盒体四边中点处。采用最佳焊接工艺参数：焊接电流190 A，脉宽为2.5 ms，焊接速度为200 mm/min时，焊接热裂纹和残余应力较小，在焊接过程中通入氩气保护和预热可显著提高焊缝质量。张文梅等[65]针对高硅铝壳体与盖板的脉冲激光封焊，研究了高硅铝合金激光焊接气孔的形成原因和影响因素，发现影响盒体气密性的主要为组合焊缝特有气孔，该类气孔位于壳体-盖板焊合面边缘的未焊合区，如图10中的位置A处，主要受焊缝结构和氧化物夹杂影响，降低材料含氧量可减少气孔产生。李仲勋[66]采用有限元数值模拟的方法对激光焊接过程中的熔池参数、温度场、应力场、变形等进行了分析，得到了针对高硅铝薄壁壳体零件最优焊接工艺参数。电子束焊与激光焊类似，都具有能量密度高、作用时间短的优点，但对焊接环境要求高，需要真空环境。石磊等[67]对高硅铝合金进行真空电子束焊接，试验结果表明，焊接接头成形良好，无明显的热影响区，焊接熔池较窄，焊缝区域由细小的等轴晶和树枝晶组织组成，焊接接头的强度、硬度均高于母材。
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图 10 焊缝横剖面的焊接气孔典型形貌Figure 10. Typical morphology of pores within cross section of weld2.3.2 固相焊
固相焊主要包含扩散焊和摩擦焊，扩散焊焊接效果良好，可在一定程度避免增强相和铝基体的界面反应。但固相扩散焊时，铝合金基体表面存在致密的氧化膜，影响原子间的扩散，加压又会造成增强相的损伤，所需时间长。瞬时液相扩散焊(TLP)效果相对较好，但颗粒偏聚的产生影响接头质量，也受到中间层的选择及其厚度和焊接工艺参数的影响，接头形状受到很大限制，工艺复杂[68]。
刘卫红等[69]添加纯金属Ni作为中间材料采用扩散焊接的方法，实现了复合材料的连接。焊接接头中生成了Al3Ni等金属间化合物，但在焊接接头中存在偏聚，在对焊接接头进行剪切实验时，焊接接头在增强相偏聚区发生了断裂。陈思杰等[70]采用瞬时液相扩散焊的方法，添加Ag-Cu-In-Sn合金作中间层，在氩气保护下对55vol%SiCp/Al复合材料进行焊接，通过对焊缝的微观组织和力学性能分析，研究了焊接温度对接头质量的影响。结果表明，保温时间6 min、压力 5 MPa、焊接温度580℃时焊缝组织性能良好。廖先金等[71]采用过渡液相扩散焊的焊接方法，在氩气保护下，添加Cu箔作为中间合金，分别对SiCp/ZL101、SiCp/Al(纯)复合材料进行焊接研究。发现当焊接材料基体不同时，材料之间发生的元素扩散、冶金反应也不同，其中在铸铝基体的焊接接头中存在SiC颗粒偏聚，但焊缝中的CuAl2脆性相较纯铝基体的焊接接头中的含量较少，因此其焊接接头获得较高的剪切强度，为85.4 MPa，图11是Cu箔中间层TLP焊接复合材料SiCp/ZL101与SiCp/Al(纯)焊接接头与母材的剪切强度。搅拌摩擦焊焊接温度低，可以有效避免Al4C3脆性相的生成，但搅拌头会损伤SiC颗粒，并易在冷却时焊核区内产生偏聚，焊接接头较脆，另外搅拌摩擦焊成本较高，工件形状受限。Uzun等[72]采用搅拌摩擦焊的方法对25vol%SiCp/2124Al复合材料进行焊接研究，并对焊接接头进行分析，发现在焊接接头中存在SiC颗粒聚集，且部分SiC颗粒发生开裂，焊接接头的硬度低于母材平均硬度。曹金营等[73]采用搅拌摩擦焊对SiCp/2Al4复合材料进行焊接，研究了多道次搅拌摩擦加工对焊接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，经多道次加工的的焊接接头组织分布均匀、晶粒细小，断口表面韧窝明显增多且分布均匀，力学性能高于母材。高增等[74]采用搅拌摩擦焊的方法，用圆锥形WC-Co合金搅拌头，搅拌头轴肩直径10 mm，锥头直径3 mm，锥尾直径5 mm，搅拌针高度2.5 mm，采用下压力控制，焊接工艺参数为下压力2 kN，搅拌头倾角3°，搅拌头转速1500 r/min，焊接速度120 mm/min，下压深度2.55 mm时实现了对15vol%SiCp/A356Al复合材料封装盒体的连接。
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刘进伟[75]以Cu箔、Zn片作为中间层对Al-65vol%Si和Al-27vol%Si合金进行扩散焊接实验，发现Cu作为中间层时，获得的焊接效果更好，焊缝区域由三元共晶组织、大量块状的初生Si相和针状共晶硅相组成；此外，加热温度和保温时间对接头质量影响很大。张伟华等[76]采用瞬间液相扩散焊的方法，以Cu箔作为中间层和铝发生共晶接触反应形成焊接接头，考察了焊缝的显微组织和力学性能，发现焊缝组织主要由α-Al、单晶 Si及CuAl2构成，当焊接温度为560℃、保温时间为120 min时，可获得优质的焊接接头。朱琳[77]创新性的提出了超声波诱导瞬间液相连接的方法，利用超声波的振动作用将高硅铝中的增强相Si颗粒引入焊缝中，获得Si颗粒增强复合焊缝，焊缝接头性能良好。但采用扩散焊对高硅铝合金进行连接得到的接头性能较差，很难达到实际应用要求，工程上一般主要选择搅拌摩擦焊进行Al-Si合金的焊接试验。Rodriguez等[78]对A319和A413硅铝合金进行了搅拌摩擦焊实验研究，发现在焊缝的搅拌作用下，焊缝区域中由于粒子的粉碎，粒子之间的距离减小，材料的硬度也得到提高。燕振君[79]通过对Al-27Si合金和Al-50Si合金实施搅拌摩擦焊，通过改变旋转和焊接速度两个参数，发现可获得良好的焊缝截面，无明显缺陷，同时细化了焊缝的硅颗粒，提高了材料的硬度，具有良好的焊接效果。蔡亮[80]采用搅拌摩擦焊在不同焊接工艺参数下对AlSi14高硅铝合金进行焊接试验，在搅拌头转速为1300 r/min、焊速为100 mm/min时，获得的接头抗拉强度可达到母材的92%；断裂发生在搅拌头前进侧热影响区，接头断裂方式是韧性与脆性的混合型断裂。
2.3.3 钎焊
钎焊温度需低于母材熔点，避免接头中生成脆性相，且钎焊过程中，焊件整体受热均匀、钎焊接头成形良好、焊接应力和变形小，可实现高精度复杂零件的连接。缺点是铝合金表面氧化膜难以破除、增强相与钎料难以润湿等问题。采用真空钎焊可较好避免出现氧化及污染变质等现象[81]。因此，钎焊也被认为是连接铝基复合材料最有效的焊接方法之一，在电子封装中广泛应用。
陈思杰等[82]选用Al-5Si-28Cu-2.5Ti作为钎料合金，对55vol%SiCp/6063Al复合材料在真空环境下进行焊接工艺的研究。结果表明，当钎焊温度为580℃，保温时间为40 min时，焊缝组织致密，钎焊接头力学性能良好，抗剪强度达到96 MPa。王鹏等[83]采用真空钎焊技术，设计了一种Al-10Si-20Cu-0.05Ce-1Ti钎料，实现了对60vol%SiCp/6063Al复合材料的连接，结果表明，钎焊温度的提高或保温时间的延长，会增强钎料在界面的润湿铺展能力，钎焊接头性能优良，但钎焊温度过高或保温时间过长，会使增强体颗粒偏聚，导致接头质量变差。陈碧强等[84]在氩气保护下，采用3种不同的Zn基钎料对70vol%SiCp/ZL101Al进行钎焊连接，探究了钎料成分对改善界面润湿及对钎焊接头显微组织和性能的影响，得出添加Mg、Ga元素可以促进Zn、Al元素的相互扩散，也可提高焊接接头致密性，但Mg2Si相的生成降低了钎料润湿性，并使接头强度变差，在对后续的焊接工艺研究后发现，在钎焊温度480℃、外加压力1 MPa时钎焊接头的剪切强度最高，可达30 MPa，3种不同Zn基钎料钎焊接头的剪切强度如图12所示。程东锋[14]利用纳米效应和激光焊的快热瞬冷优点，自制纳米级AlCuTi基箔状钎料，采用激光钎焊技术对体积分数为55vol%~75vol%的SiCp/6063Al进行焊接研究，得出最优钎料Al72Cu20Ti8，采用最优钎料进行焊接，获得抗拉强度高达219 MPa的接头。张洋等[85]选用Zn-Al合金作为钎料，对55vol%SiCp/A356复合材料进行超声波辅助钎焊连接实验，研究了超声波作用时间对焊接接头性能的影响。结果表明在超声波作用下，复合材料表面氧化膜破除，钎料在界面的润湿性增强，促使钎料与母材相互扩散，并使SiC颗粒进入焊缝，提高了钎焊接头强度，当超声波作用时间为20 s，钎焊温度为475℃时，焊接接头的抗剪强度达到了231 MPa。冷雪松等 [86]采用超声波辅助钎焊在大气环境下成功连接了55vol%SiCp/Al，分析了不同超声波钎焊温度对接头组织和性能的影响。结果显示，在475℃时较多的SiC颗粒和铝元素向接头扩散，阻止了裂纹的扩展，从而获得优质的钎焊接头，剪切强度达244 MPa。
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图 12 3种不同钎料钎焊接头的剪切强度对比Figure 12. Comparison of shear strength of brazed joints with three different solders刘进伟[75]采用Cu箔、Zn片钎料作为填充金属，在真空环境下进行高硅铝合金的接触反应钎焊试验，发现采用合适的焊接工艺，均实现有效连接。在焊接温度为535℃，保温时间为20 min时，以Cu为中间层获得的钎焊接头组织致密、成分均分，性能较好。蔡亮[80]将 Zn-5Al钎料热浸镀到高硅铝表面然后进行炉中钎焊，研究了焊接温度和保温时间对接头组织及性能的影响。结果表明，保温时间较短时，随着钎焊温度的升高，钎焊接头抗剪强度先升高后降低；随着保温时间的延长，形状规则的Si相弥散分布在焊缝中，提高钎焊接头强度。高硅铝在钎焊过程中，钎料在其表面润湿性差严重影响接头质量，通过在其表面镀上一层金属镀层可明显改善其钎焊性能。侯玲[87]通过对 65vol%Si-Al合金表面预处理(先镀Ni，再镀Ni-Cu-P、Au 和 Cu层)，采用炉中软钎焊的方法对高硅铝合金进行连接试验研究。试验表明，通过对基体表面镀层，增加合金的润湿性能，明显改善了高硅铝之间的钎焊焊接性能。杨环宇等[88]采用真空钎焊技术，选用Al-20.0Cu-1.0Mg-5.0Si-0.4Ce钎料实现了对镀镍高硅铝合金的连接，通过对钎焊接头的抗剪强度及显微组织进行分析，发现钎料在镀镍层润湿性良好，钎料中的元素扩散与镀镍层形成冶金结合，提升接头强度；并得到钎焊温度对接头性能的影响规律：当温度低于530℃时，钎料与母材反应不充分；当温度高于530℃时，钎料润湿性有所提高，但脆性相的生成将降低接头质量。
T/R模块盒体封装过程中主要即两个关键部分，上盖与下盒体的封装及玻璃绝缘端子与盒体的连接。针对相控阵雷达T/R封装模块的封装问题，杨环宇[89]做了大量研究，先后攻克了异种材料的真空钎焊问题，采用真空钎焊的方法实现了可伐合金框与高硅铝盒体的连接，漏气率达到10−10 Pa·m3/s。其次在对玻璃绝缘端子的连接上，多年来，一直是在900~960℃高温下将可伐合金壳体与305玻璃绝缘端子直接烧结融封在一起，Wang等[90]采用低温玻璃粉直接融封技术对玻璃绝缘端子进行连接，为后续封装工艺留出了较宽裕的温度梯度空间。
2.4 表面金属化技术
无论是碳化硅颗粒增强铝基复合材料还是高硅铝合金，随着增强体含量的增加，材料导电性能下降，焊料在复合材料表面的润湿铺展能力变差，为了满足其导电、焊接、散热和气密性的要求，很多情况下需要对复合材料进行表面合金化处理[91]。通过采用物理或化学方法，在材料表面镀上一层较薄的金属或金属化合物涂层，稳定的涂层材料可减少界面反应，增强复合材料表面的润湿效果，获得良好的焊接性。对铝基复合材料表面金属化的工艺有电镀、化学镀、磁控溅射法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等，常用的技术主要是电镀和化学镀法。
2.4.1 电镀
在电镀过程中，通过外加电场的作用，使镀液中的金属离子被还原为纯金属，纯金属在基体表面沉积、聚集形成致密的金属镀层[92]。电镀技术效率高、成本低，但要求被镀材料具有导电性，因此需要对非金属增强体颗粒SiC或Si表面进行复杂的镀前处理，且电镀后镀层孔隙较大，残留的镀液容易造成电化学腐蚀，电镀过程环境污染严重，逐步被化学镀所取代。卢海燕等[93]采用化学镀镍、热处理、电镀镍、电镀金的方法，对体积分数为70vol%的SiCp/Al复合材料进行镀金操作，得到的镀层表面光滑平整，没有明显的结瘤和夹杂等缺陷，与基体之间结合良好。李志辉等[94]采用合适的电镀工艺方案，对喷射成形的高硅合金材料进行镀金，研究了其电镀性能。结果表明：喷射成形的高硅铝合金材料具有良好的可电镀特性，电镀后镀层组织均匀、致密，与基材的结合力强；电镀处理后的材料焊接性能得到显著改善，润湿能力增强，焊缝微观组织致密，无明显的孔洞和裂纹等缺陷产生。
2.4.2 化学镀
化学镀过程中无需电流，主要通过镀液中适当的还原剂使金属离子在金属表面自催化作用下进行还原的金属沉积过程，也被称为无电解镀、自催化镀。其实质是一个有电子转移且无外加电场作用的氧化还原反应，令金属离子还原并沉积为致密的金属镀层[95-96]。化学镀技术适用范围广，绝大多数非金属不具有导电性，故电镀、电刷镀等工艺无法直接施镀。利用化学镀技术对其进行表面金属化，可使非金属具有导电性、可焊性等优良性能。对设备要求简单、镀层厚度可控，制得的镀层厚度均匀、孔隙小、致密度高、晶粒细小，对环境污染小。化学镀主要分为两个步骤：镀前预处理(主要包含表面清洁、粗化、活化、敏化)、施镀。
范晓杰[97]为解决电子封装中存在的钎料在铝基复合材料表面难以润湿的问题，采用化学镀镍法对SiCp/6063Al复合材料表面金属化。研究了不同施镀时间对复合材料表面化学镀镍的影响，得出随着施镀时间的延长，表面胞状组织均匀长大，镀层厚度增加，钎焊接头强度也随之提升；施镀30 min，温度为75℃，pH值为 8.5时镀层与基体结合良好，在合适的钎焊工艺下可获得优质的钎焊接头。Zhao等[98]以60vol%SiCp/Al 复合材料作为基体，运用化学镀手段，对复合材料表面镀镍，研究了有无 Ni-P涂层及涂层厚度、结构和磷浓度对 SiCp/Al复合材料导热性能的影响，结果表明使用磷浓度较低的镀液化学镀镍后可显著改善其导热性能。骆文强[23]采用化学镀技术，通过在镀镍金属液中加入SiC，在70vol%SiCp/Al复合材料表面制得Ni-P-SiC 复合镀层，并选用锡基钎料对镀层后的复合材料进行润湿和钎焊研究。结果表明，在镀液中添加适量的SiC颗粒形成复合涂层，可以改善钎料在母材表面的润湿铺展能力，提升钎焊接头强度。姚怀等[99]采用化学镀方法，研究了镀液的pH值对SiC表面镀镍的影响，得到当pH值低于8.5时，SiC 颗粒表面未镀上镍；pH值为10到11时，制得较致密的镀层；但当pH值高于11时，镀层极不均匀。朱琳[100]为改善SiC颗粒和铜基体的界面润湿性，采用化学镀的方法对粒度为10 μm的SiC颗粒进行表面金属化，加强了二者间的结合力。实验发现镀液中对SiC表面化学镀镍影响最大的是[Ni2+]浓度，其次是镀液的pH值，[NH4+]浓度影响最小；又对比了有无敏化活化下SiC颗粒化学镀镍效果，经敏化活化前处理下的SiC颗粒被Ni完全包覆，镍层结构致密。
李青林[92]以ADC12铸态高硅铝合金为基体，采用化学镀手段，分别研究了促进剂和光亮剂对施镀效果的影响。结果表明：促进剂氨基乙酸可以加快化学镀的效率，使用光亮剂A和整平剂后制得的镀层质量较好。杨环宇[89]为解决高硅铝合金中Si颗粒与钎料界面结合较弱的问题，采用化学镀技术对CE11高硅铝合金表面合金化，发现镀镍处理后钎料在高硅铝母材的润湿铺展能力虽然得到增强，但随着钎焊温度升高，镍层容易破坏，形成空洞、裂纹等缺陷，致使镀镍后获得的钎焊接头性能低于未镀镍处理的钎焊接头性能。刘凯等[101]在铝硅合金盒体的表面镀层处理过程中，依次采取盒体前处理、化学镀镍、热处理、除氧化层、电镀镍、电镀金等步骤。经过上述处理的镀金后的盒体焊接温度可达到300℃，不存在镀层起泡、崩落现象，大大提高了盒体与基板、芯片等的温度阶梯焊接可靠性。
3. T/R模块封装材料的关键问题及未来展望
随着航空航天电子产品越来越小型化、轻量化和高性能的发展趋势，单一材料综合性能的局限很难进一步满足其技术需求，电子封装用复合材料的进一步推广也已经被关注和认可，且发展势头迅猛[4]。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，早已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一，而产品的应用需求会进一步促进复合材料科学内涵和加工技术的不断发展。
相控阵雷达用T/R模块封装材料已经历可伐合金和铜钨合金两代材料的变更，国内目前第三代电子封装材料的目光主要集中在碳化硅颗粒增强铝基复合材料和高硅铝合金。这两种材料都表现出优异的综合性能，也都在材料制备、机械加工和焊接成形等方面存在一些难点，且各有优劣势，主要表现在以下几个方面：
(1) 作为增强相的SiC和Si都来源较丰富，制备工艺比较成熟，成本低廉，对环境没有污染，对人体没有伤害；
(2) 用SiC和Si作为增强相制备铝基复合材料，在调整体积分数的基础上，都具有密度低、热导率高、热膨胀系数低、比强度和刚度较高等优点，且热膨胀系数都可以满足电子封装的要求，且随着SiC和Si的体积分数增加，以两者为增强相的复合材料导电、导热性能都下降；
(3) 两种复合材料都有机加工难度，但是侧重点略有不同：SiC/Al复合材料是硬度大，刀具磨损严重，难以长期高质量保证精度；Si/Al复合材料机加工稳定性相对较好，但高Si/Al中由于初晶硅的存在，容易发生局部脆断；
(4) 在SiC/Al和Si/Al复合材料的制备和连接过程中，增强相的均匀分布和体积分数的精准控制是共有问题，但也存在不同难点：SiC/Al复合材料主要在于SiC-Al界面控制有较大难度，而Si/Al复合材料中初晶硅相尖角处应力集中，材料力学性能较差，如何改善初晶硅相的形态和分布则是亟待解决的问题；
(5) 若从增强相的物理性能角度考虑，SiC抗辐射能力强(禁带宽度大，是Si的3倍)、高温性能更优(热导率高，是Si的3.3倍)、抗高压能力更强(电子饱和迁移速率高，是Si的2.5倍和击穿电场高，是Si的10倍)等性质，决定了SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端、太空环境应用领域有着不可替代的优势[102-103]。
尽管国外 DWA、 ACMC 和 Dural等公司已经对颗粒增强铝基复合材料实现了工业化生产，其技术优势主要集中于该类材料的生产制备领域[24]。相较于外国，我国对铝基复合材料的研究起步较晚，但国内经过“十一五”到“十三五”的不断攻关，国内学者在相关国防军工型号需求的牵引下和设计应用单位的支持下，突破了颗粒增强铝基复合材料的大尺寸坯锭制备技术，挤压、锻造、轧制等塑性加工技术，某些型号的产品已实现小批量生产。针对铝基复合材料的机加工和焊接技术，由于技术封锁鲜见国外发表的高体积SiC或Si颗粒增强铝基复合材料焊接资料，在现有公开数据库中所检索到的文献多为国人在该领域的努力成果。
颗粒增强铝基复合材料的优异综合性能使其在航空、航天、电子、核电等领域的应用越来越广泛，若以相控阵雷达T/R模块电子封装为应用目标，对现有和新一代封装材料的发展提出如下展望：
(1) 结合现有的制备方法，将多种工艺进行交叉融合，探索出更加高效简单、生产成本较低的新技术；
(2) 在对现有增强体的复合材料的制备与加工研究基础上，探索更新的增强体材料，例如石墨烯或纳米尺度的SiC颗粒等，以制备更加优异性能的复合材料；
(3) 在冷加工领域，完善机械加工手段，尤其是面对强度、塑性不均匀的复合材料新刀具的研制与开发，探索合理的工艺参数，获得理想的加工表面质量；
(4) 在焊接领域，面对基体材料与增强相在物理化学性质上的巨大差异，进一步探讨更有效的固相焊接方法与选择更优异的焊接材料将成为连接技术的主要研究趋势和创新方向。同时，进一步优化母材质量，特别是增强相的均匀分布和尺寸控制及母材被焊表面的预处理技术，都是提高复合材料接头质量必须考虑的重要因素。
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图 4 相控阵雷达T/R模块封装盒体制备流程图：(a)颗粒增强铝基复合材料的几种典型的制备方法[12]；(b) CE13 合金制备的雷达用封装外壳[11]；(c)镀金后铝基复合材料盒体[13]；(d)激光封焊铝基复合材料盒体[13]
Figure 4. Flow chart of phased array radar T/R module packaging box preparation: (a) Several representative fabrication routes for particle reinforced aluminum matrix composites[12]; (b) Packaging shell for radar application prepared with CE13 alloy[11]; (c) Aluminum matrix composite box after gold plating[13]; (d) Laser sealing aluminum matrix composite box[13]
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图 10 焊缝横剖面的焊接气孔典型形貌
Figure 10. Typical morphology of pores within cross section of weld
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图 12 3种不同钎料钎焊接头的剪切强度对比
Figure 12. Comparison of shear strength of brazed joints with three different solders
表 1 常用封装材料及其性能指标
Table 1 Performance parameters of common packaging materials
Performance parameters Semiconductor materials 1st generation packaging materials 2nd generation packaging materials 3rd generation packaging materials Si GaAs Kover Invar W W/Cu Mo/Cu SiC/Al Si/Al CTE/(10−6 ℃−1) 4.1 6.0 5.9 0.4 4.4 7.6-9.1 7.2-8.0 7-17 7-17 TC/(W·(m·K)−1) 135 39 17 11 174 180-210 160-190 145-215 140-220 Density/(g·cm−3) 2.3 5.3 8.3 8.1 19.3 15.6 9.9 2.7-2.9 2.4-2.6 Notes: CTE—Coefficient of thermal expansion; TC—Thermal conductivity. 
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表 2 铝基复合材料的常用制备方法及优缺点[14]
Table 2 Advantages and disadvantages of common preparation methods of aluminum matrix composites[14]
制备方法 优点 缺点 搅拌铸造法 工艺简单，制备成本低，
适合大规模化生产增强体的体积分数有限，
分布不易均匀化液态金属浸渗法 可制备高体积分数增强体复合材料；增强相和基体
之间的润湿性好、产品气孔、疏松等缺陷少；同时还
可制备形状较复杂的零部件预制体容易变形，
设备较复杂，
生产成本相对较高粉末冶金法 增强相分布均匀，
界面反应易于控制、
工艺参数可选择设备成本高，工艺复杂，制备周期长，零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制 喷射沉积法 界面反应易于控制，基体金属的晶粒细小且均匀，无宏观偏析，且增强相的体积分数及粒度也不受限制 原料浪费严重，成本很高 原位生成法 增强体表面无污染，与基体相容性好，结合强度高 增强相的形成、均匀化分布及有害反应难以有效控制
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其他类型引用(1)
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目的
随着航空航天、军工、电子技术的迅猛发展，封装方式与封装材料已成为电子设备进一步实现小型化、轻量化和高性能的重要制约。以铝为基体的轻质材料—碳化硅颗粒增强铝基复合材料和高硅铝合金逐渐成为相控阵雷达T/R模块的第三代封装材料，而二者的制备和加工技术存在的问题成为限制第三代材料全面推广和应用的重要瓶颈。通过对铝基复合材料和高硅铝合金的加工和应用研究技术现状进行综述分析，找出两种材料的问题并进行展望，为两种材料的进一步推广提供参考与指导。
方法本文根据相控阵雷达T/R模块封装盒体在制造过程中的四个步骤出发，复合材料的制备、采用机械加工手段将复合材料加工成所需要的形状、尺寸，对盒体进行表面金属化(镀镍镀金)，提高壳体可焊性并保护元器件不受污染，最终进行盒体封装。依次介绍了铝基复合材料和高硅铝合金的制备方法，搅拌铸造法、液态金属浸渗法、粉末冶金法、喷射沉积法，分析了两种材料不同制备方法的优缺点；机械加工性能：车削、铣削、钻销等传统加工方法和电火花等非传统机加工方法，焊接工艺，熔化焊、固相焊、钎焊，及表面处理等加工和应用研究技术现状。
结论得出两种材料都表现出优异的综合性能，但也都在材料制备、机械加工和焊接成形等方面存在一些难点，且各有优、劣势，主要表现在以下几个方面：①作为增强相的SiC和Si都来源较为丰富，制备工艺比较成熟，成本低廉，对环境没有污染，对人体没有伤害；②用SiC和Si作为增强相制备铝基复合材料，在调整体积分数的基础上，都具有密度低、热导率高、热膨胀系数低，比强度和刚度较高等优点，且热膨胀系数都可以满足电子封装的要求，且随着SiC和Si的体积分数增加，以两者为增强相的复合材料导电、导热性能都下降；③两种复合材料都有机加工难度，但是侧重点略有不同：SiC/Al复合材料是硬度大，刀具磨损严重，难以长期高质量保证精度；Si/Al复合材料机加工稳定性相对较好，但高Si/Al中由于初晶硅的存在，容易发生局部脆断。④在SiC/Al和Si/Al复合材料的制备和连接过程中，增强相的均匀分布和体积分数的精准控制是共有问题，但也存在不同难点：SiC/Al复合材料主要在于SiC-Al界面控制有较大难度，而Si/Al复合材料中初晶硅相尖角处应力集中，材料力学性能较差，如何改善初晶硅相的形态和分布则是急待解决的问题。其他：展望：(1)结合现有的制备方法，将多种工艺进行交叉融合，探索出更加高效简单、生产成本较低的新技术；(2)在对现有增强体的复合材料的制备与加工研究基础上，探索更新的增强体材料，例如石墨烯或纳米尺度的SiC颗粒等，以制备更加优异性能的复合材料；(3)在冷加工领域，完善机械加工手段，尤其是面对强度、塑性不均匀的复合材料新刀具的研制与开发，探索合理的工艺参数，获得理想的加工表面质量；(4)在焊接领域，面对基体材料与增强相在物理化学性质上的巨大差异，进一步探讨更为有效的固相焊接方法与选择更为优异的焊接材料将成为连接技术的主要研究趋势和创新方向。同时，进一步优化母材质量，特别是增强相的均匀分布和尺寸控制，以及母材被焊表面的预处理技术，都是提高复合材料接头质量必须考虑的重要因素。
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