封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備裝置及方法，其包括高溫上模，用于保持整個模具內部溫度平衡和對高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱源；外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入；感應線圈，作為可移動式感應加熱元件，為整個制備過程提供熱量；梯度工件，用于制備梯度材料；冷卻水循環裝置，當制備過程中的溫度超過設定溫度時，通過冷卻水循環裝置將多余的熱量導出；低溫下模，與高溫上模的溫度形成對比，產生溫度梯度；熱電偶，用于測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度。本發明制備的合金致密度更高，組織更加細化，合金具有優異的綜合性能。
【專利說明】
封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及材料加工技術領域，特別是涉及一種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料 高通量制備裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 電子封裝主要發揮密封、散熱和屏蔽等作用，對器件的穩定性具有重要影響，同時 還為精細電子線路提供機械支撐以及作為導電連接介質。現代戰機和導彈的電子封裝系 統，芯片裸集成于封裝盒底面，要求封裝殼膨脹系數須與GaAs或Si芯片相匹配并有好的散 熱性能；另一方面，封裝殼側壁和上蓋起支撐和保護作用，須具有良好的機械性能、氣密性 和可焊接性能。高硅鋁合金因密度低、膨脹系數小、導熱性能好且有一定的強度、好的可加 工性，在電子封裝領域具有廣泛的應用前景。隨著合金中硅含量升高，合金的熱膨脹系數逐 漸降低，但是其機械和焊接性能變差，嚴重影響了高硅鋁合金在電子封裝領域的應用。為 此，本發明提出制備高硅鋁合金梯度材料，來改善電子封裝材料的低膨脹性與焊接、精加工 之間的矛盾，其制備的梯度高硅合金，高硅端具有低的膨脹系數，滿足電路和芯片集成要 求;低硅端具有優良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒側壁鉆孔、焊接、密封的需求。
[0003] 作為先進的金屬熱成形方法，粉末燒結技術具有易于操作、靈活性高及適于制備 大體積的梯度材料的特點，成為目前應用比較廣泛的工藝。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量 制備裝置及方法，其制備的合金致密度更高，組織更加細化，合金具有優異的綜合性能。
[0005] 本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種梯度高硅鋁合金高通量 制備裝置，其包括： 高溫上模，用于保持整個模具內部溫度平衡和對高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應線圈，作為可移動式感應加熱元件，為整個制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環裝置，當制備過程中的溫度超過設定溫度時，通過冷卻水循環裝置將多余 的熱量導出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對比，產生溫度梯度； 熱電偶，用于測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度。
[0006] 優選地，所述梯度工件位于高溫上模和低溫下模之間，外模模具位于高溫上模的 側面、梯度工件的側面、低溫下模的側面，熱電偶位于外模模具上，感應線圈纏繞在外模模 具上和梯度工件上，冷卻水循環裝置位于外模模具上。
[0007] 本發明還提供一種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法，其包括以下 步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分按質量百分比計為Al_50wt · %Si、Al-20wt · %Si、A1-12 · 6wt · %Si ; 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分合金 粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金粉末 體積百分比5:1;首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高硅含量的合金粉;霧化 粉末加入后施加10KN的壓力； 步驟三，利用感應線圈對冷壓后的粉末加熱，根據加入合金粉末的成分調整加熱溫度， Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為570°C，Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為 520°C，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為450°C，通過不同位置處熱電偶測試溫度 控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度，達到設定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN，燒 結； 步驟四，在溫度梯度下燒結30min，然后控制整個樣品低溫30min-lh擴散，冷卻，泄壓。
[0008] 優選地，所述步驟三中的溫度梯度的控制主要是通過樣品的傳熱及熱流的導出實 現，利用熱電偶檢測不同位置處溫度，通過控制感應線圈的加熱時間來形成溫度梯度，梯度 樣件下端熱量的導出主要靠冷卻水循環裝置。
[0009] 優選地，所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法的關鍵因素有以下 四個因素:粉末的加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度的形成及燒結溫度與時間控制。
[0010] 優選地，所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法適合具有不同燒結 溫度的梯度合金的制備。
[0011] 本發明的積極進步效果在于：一，本發明通過對傳統粉末燒結模具加熱裝置改 進，增加了可移動感應加熱裝置和模具底部熱流導出裝置，能夠更快燒結粉末，通過調整溫 度梯度，制備的合金致密度更高，組織更加細化，合金具有優異的綜合性能。二，本發明采用 移動感應式加熱，通過在模具外部增加可上下移動的感應線圈，利用熱電偶測試工件不同 位置處溫度的高低，從而控制感應線圈在梯度工件不同位置處停留時間，從而實現整個梯 度工件溫度的梯度分布，設備實用性廣，能夠制備多種梯度合金材料。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明梯度高硅鋁合金高通量制備裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。
[0014]如圖1所示，本發明梯度高硅鋁合金高通量制備裝置包括高溫上模1、外模模具2、 感應線圈3、梯度工件4、冷卻水循環裝置5、低溫下模6、熱電偶7,其中： 高溫上模，用于保持整個模具內部溫度平衡和對高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應線圈，作為可移動式感應加熱元件，為整個制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環裝置，當制備過程中的溫度超過設定溫度時，通過冷卻水循環裝置將多余 的熱量導出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對比，產生溫度梯度； 熱電偶，用于測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度。
[0015] 梯度工件4位于高溫上模1和低溫下模6之間，外模模具2位于高溫上模1的側面、梯 度工件4的側面、低溫下模6的側面，熱電偶7位于外模模具2上，感應線圈3纏繞在外模模具2 上和梯度工件4上，冷卻水循環裝置5位于外模模具2上，這樣排列緊湊。
[0016] 本發明封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法包括以下步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分(質量百分比，wt.%)為 Al_50wt .%3;[、41-20￥1:.%3;[、41-12.6￥1:.%3;[。該發明制備的梯 度封裝材料可以是兩種不同質量分數粉末、也可以是三種不同質量分數粉末。
[0017] 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分 合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金 粉末體積百分比5(高成分）：1(低成分）。首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高 硅含量的合金粉。粉末加入后施加10KN的壓力。
[0018] 步驟三，利用感應線圈對冷壓后的粉末加熱，根據加入合金粉末的成分調整加熱 溫度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度570°C、Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度 520°C、Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度450°C，通過不同位置處熱電偶測試溫度控 制感應加熱時間，從而形成溫度梯度，達到設定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN燒結。
[0019] 步驟四，在溫度梯度下燒結30min，然后控制整個樣品低溫30min-lh擴散，冷卻，泄 壓。
[0020] 實例l:Al-20wt.%Si/ △1-12.6￥1%5丨梯度合金 按步驟一選擇Al-20wt. %Si和Al-12.6wt. %Si霧化合金粉來制備梯度合金，按步驟二首 先在模具底端裝入厚度為l〇mm的Al-12.6wt.%Si霧化合金粉，隨后加入厚度為50mm的A1-20wt.%Si合金粉。在室溫下對加入的粉末施加10KN的壓力。按步驟三利用感應線圈對對冷 壓后的粉末加熱，根據步驟三要求Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度δΖΟΓα?-υ. 6wt .%Si 合金粉末的最高燒結溫度 450°C 。感應線圈首先對高成分合金加熱 ，通過熱電偶 控制粉末最高溫度達到520°C時，感應線圈開始降低功率并向模具下端移動，在移動到樣品 梯度區域時，溫度控制不超高480°C，感應線圈繼續向模具下端移動，模具下端粉末溫度控 制在450°C，當高于此溫度時，立即停止加熱并利用水冷將多余的熱量導出。根據不同位置 處熱電偶的顯示，不斷移動感應線圈的加熱功率和不同位置處停留時間，使整個樣品處于 溫度梯度。均勻化lOmin后對樣品施加50KN的壓力。按步驟四保壓30min后，控制整個樣品溫 度450°C，保溫lh，使樣品中Si元素有充足的時間有高成分向低成分擴散，從而形成成分梯 度，冷卻并泄壓。
[0021] 實例2:Al-50wt.%Si/ Al-20wt.%Si梯度合金 按步驟一選擇Al-50wt. %Si和Al-20wt. %Si霧化合金粉來制備梯度合金，按步驟二首先 在模具底端裝入厚度為l〇mm的Al-20wt · %Si霧化合金粉，隨后加入厚度為50mm的Al-50wt · % Si合金粉。在室溫下對加入的粉末施加10KN的壓力。按步驟三利用感應線圈對對冷壓后的 粉末加熱，根據步驟三要求Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度570°C、Al-20wt.%Si合金 粉末的最高燒結溫度520 °C。感應線圈首先對高成分合金加熱，通過熱電偶控制粉末最高溫 度達到570°C時，感應線圈開始降低功率并向模具下端移動，在移動到樣品梯度區域時，溫 度控制不超過550°C，感應線圈繼續向模具下端移動，模具下端粉末溫度控制在520°C，當高 于此溫度時，立即停止加熱并利用水冷將多余的熱量導出。根據不同位置處熱電偶的顯示， 不斷改變感應線圈的加熱功率和不同位置處停留時間，使整個樣品處于溫度梯度。均勻化 lOmin后對樣品施加50KN的壓力。按步驟四保壓30min后，控制整個樣品溫度520°C，保溫lh， 使樣品中Si元素有充足的時間有高成分向低成分擴散，從而形成成分梯度，冷卻并泄壓。 [0022]本發明的關鍵因素有以下四個因素 :粉末的加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度 的形成及燒結溫度與時間控制。粉末的加入方式是保證成分梯度形成的關鍵因素，單獨粉 末或者混粉加入，以及加入粉末的體積分數影響梯度區成分范圍。溫度梯度的控制主要是 通過樣品的傳熱及熱流的導出實現，利用熱電偶檢測不同位置處溫度，通過控制感應線圈 的加熱時間來形成溫度梯度，低溫下膜熱量的導出主要靠水流的速度。成分梯度的形成除 與粉末加入量有關外，主要受控于高固熔粉末在外界熱流的作用下Si原子的析出，Si原子 本身有高濃度向低濃度擴散的趨勢，通過上述溫度梯度的控制，加速Si原子的擴散，從而使 Si元素在微觀區域形成梯度。燒結溫度與時間控制是保障梯度材料整體性能的重要手段， 高的燒結溫度，合金的致密度較高，其導熱性能和力學性能提高;但是過高的溫度導致Si相 粗化，反而會降低梯度材料的性能；同時低的燒結溫度，導致合金的致密度降低，其導熱性 能和力學性能降低。燒結時間是控制梯度區成分寬度的主要因素。
[0023] 利用本發明提出的方法可以制備具有成分梯度分布的高硅鋁合金，高硅端具有低 的膨脹系數，滿足電路和芯片集成要求;低硅端具有優良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒 側壁鉆孔、焊接、密封的需求。
[0024] 本發明制得的產品從上端面高成分硅含量梯度過度到下端面低成分硅含量。所述 的具有不同Si含量分布的梯度高硅鋁合金的制備方法包括粉末加入、移動感應加熱、溫度 梯度形成和加壓處理等。本發明的工藝適合具有不同燒結溫度的梯度合金的制備，制備的 合金材料成分呈現梯度變化，高硅端具有低的熱膨脹系數，低硅端具有優異的加工和焊接 性能。該梯度過渡合金對緩解高硅端與低硅端連接過程中界面應力具有重要意義。本發明 通過調節高硅鋁合金中硅相的質量分數，使梯度材料高硅端具有較低的熱膨脹系數，低硅 端具有優異的加工和焊接性能。本發明通過控制粉末燒結過程中溫度流向，制備出無明顯 界面的高硅鋁合金梯度材料，具體如下表1所示：
以上所述的具體實施例，對本發明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進 一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發 明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種梯度高硅鋁合金高通量制備裝置，其特征在于，其包括： 高溫上模，用于保持整個模具內部溫度平衡和對高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應線圈，作為可移動式感應加熱元件，為整個制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環裝置，當制備過程中的溫度超過設定溫度時，通過冷卻水循環裝置將多余 的熱量導出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對比，產生溫度梯度； 熱電偶，用于測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度。2. 根據權利要求1所述的梯度高硅鋁合金高通量制備裝置，其特征在于，所述梯度工件 位于高溫上模和低溫下模之間，外模模具位于高溫上模的側面、梯度工件的側面、低溫下模 的側面，熱電偶位于外模模具上，感應線圈纏繞在外模模具上和梯度工件上，冷卻水循環裝 置位于外模模具上。3. -種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法，其特征在于，所述封裝用高 硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法包括以下步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分按質量百分比計為Al_50wt · %Si、Al-20wt · %Si、A1-12 · 6wt · %Si ; 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分合金 粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金粉末 提交百分比5:1;首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高硅含量的合金粉;霧化 粉末加入后施加10KN的冷壓壓力； 步驟三，利用感應線圈對冷壓后的粉末加熱，根據加入合金粉末的成分調整加熱溫度， Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為570°C，Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為 520°C，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為450°C，通過不同位置處熱電偶測試溫度 控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度，達到設定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN，燒結； 步驟四，在溫度梯度下燒結30min，然后控制整個樣品低溫30min-lh擴散，冷卻，泄壓。4. 如權利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述步驟三中的溫度梯度的控制主要是通過樣品的傳熱及熱流的導出實現，利用熱電偶檢 測不同位置處溫度，通過控制感應線圈的加熱時間來形成溫度梯度，梯度樣件下端熱量的 導出主要靠冷卻水循環裝置。5. 如權利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法的關鍵因素有以下四個因素:粉末的 加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度的形成及燒結溫度與時間控制。6. 如權利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法適合具有不同燒結溫度的梯度合金 的制備。
【文檔編號】B22F3/10GK105970013SQ201610287138
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】賈延東, 王剛, 易軍, 翟啟杰
【申請人】上海大學