一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法

一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，具體是指一種電子封裝用高致密度、高熱導率、低熱膨脹系數的硅鋁合金材料的制備方法，屬于封裝材料技術領域。該方法是以硅粉和鋁粉為原料，原料粉末經過混合球磨預處理后裝粉入包套，然后真空熱除氣，在熱等靜壓機中壓制成形，隨后進行機械加工制成成品。本發明制備的硅鋁合金具有以下優點：合金成分比例范圍寬，Si含量為10～95wt％，Al為余量；致密度高，相對密度達到99.5％以上、熱導率為100～180W/mK，熱膨脹系數為5～15×10?6/K，能夠滿足航空航天、微電子行業電子封裝的要求。
【專利說明】
一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，具體是指一種電子封裝用高致密度、高熱導率、低熱膨脹系數的硅鋁合金材料的制備方法，屬于封裝材料技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天微電子器件、半導體集成電路向大功率、小型化、輕量化、低成本、高性能和高可靠性的方向發展，集成電路的集成度迅猛增加，導致芯片發熱量急劇上升，芯片壽命下降。據報道，溫度每升高10°C，半導體芯片因壽命的縮短而產生的失效就為原來的三倍。這是由于在微電子集成電路以及大功率整流器件中，材料之間散熱性能不佳而導致的熱疲勞以及熱膨脹系數不匹配而產生的熱應力所引起的。解決該問題的重要手段就是使用新的性能更好的封裝材料。
[0003]目前電子封裝用硅鋁合金主要采用熔鑄法、噴射沉積法和熱壓燒結法制備。傳統的熔鑄法制備的硅鋁合金由于硅含量較高，初晶硅相生長為粗大的針狀或板條狀，且出現嚴重的偏析現象，造成力學性能及物理性能惡化，限制了材料的實際應用。噴射沉積法首先噴射沉積得到坯錠然后通過熱等靜壓或熱擠壓實現完全致密化。噴射沉積法雖然可獲得組織成分均勻、晶粒細小、性能優良的硅鋁合金材料，但是存在工藝復雜、致密化成本高等問題。熱壓燒結法制備的硅鋁合金存在硅含量不高(一般小于50% )、氣密性差、規模化生產成本高等問題。

【發明內容】

[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提出一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，該方法制備的用于電子封裝的硅鋁合金致密度高、熱導率高、熱膨脹系數低，且該方法可規模化生產。
[0005]本發明的技術解決方案是:
[0006]—種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，步驟為:
[0007](I)對硅粉和鋁粉的混合粉末進行預處理；
[0008](2)將步驟(I)中經過預處理后的混合粉末裝入包套中；
[0009 ] (3)將步驟(2)裝有混合粉末的包套進行真空熱除氣；
[0010](4)將步驟(3)真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理，得到壓制成形產品;
[0011](5)將步驟(4)壓制成形產品進行機械加工制成成品。
[0012]所述的步驟(I)中，預處理過程為:將硅粉和鋁粉按照比例進行混合球磨，具體工藝為球磨時間4?12h，球磨轉速100?200r/min，球料比為5:1?15:1。
[0013]所述的步驟(I)中，所述的硅粉的粒度為-325目，Al粉粒度-400目。
[0014]所述的步驟(I)中，混合粉末中硅粉的質量含量為1% -95 %。
[0015]所述的步驟(2)中，所述的包套的材料為純鋁或20#碳鋼。
[0016]當混合粉末中娃粉的質量含量小于等于50 %時，包套選用純招包套。
[00?7]當混合粉末中娃粉的質量含量大于50 %時，包套選用20#碳鋼包套。
[0018]所述的步驟(2)中，所述的包套硅的結構采用折彎兩拼結構，該結構為一帶有兩個凸面的六面體，六面體的四個側面由兩個成“Z”字形且一體成型的板材拼接而成，兩個“Z”字形板材分別記為A板材和B板材；
[0019]A板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直；
[0020]B板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直，
[0021]A板材的長的橫面構成六面體的一個側面a，B板材的長的橫面構成六面體的一個側面b，A板材的豎面為六面體的一個側面c，B板材的豎面為六面體的一個側面d，A板材的長的橫面與B板材短的橫面形成六面體的一個凸面m，A板材的短的橫面與B板材長的橫面形成六面體的另一個凸面η;六面體的上表面由上端蓋組成，六面體的下表面由下端蓋組成;A板材的長的橫面與B板材短的橫面進行焊接連接，A板材的短的橫面與B板材長的橫面進行焊接連接，上表面以及下表面與側面通過焊接連接。
[0022]所述折彎兩拼結構包套的制備方法為:首先將所述包套材質的板料折彎兩次制成包套主體，然后將兩個包套主體進行拼接，將拼接后的包套主體沿短的折彎處焊接形成一個方形整體結構，最后將上端蓋和下端蓋與包套主體形成的方形整體結構焊接在一起制成所述包套。
[0023]所述的步驟(3)中，所述的真空熱除氣的工藝為最終除氣溫度300?600°C，最終真空度大于I X 10—3Pa,在此基礎上保溫30?300min。
[0024]所述的步驟(4)中，所述的熱等靜壓致密化處理工藝為壓制溫度400?1100°C，壓制壓力80?150MPa，保溫時間I?5h。
[0025]有益效果
[0026](I)本發明的目的在于提供一種電子封裝用高致密度、高熱導率、低熱膨脹系數的硅鋁合金材料的制備方法;本發明制備的硅鋁合金材料合金成分比例范圍寬，Si含量為10?95wt %，Al為余量;致密度高，相對密度達到99.5 %以上、熱導率為100?180W/mK，熱膨脹系數為5?15X10—6/K，能夠滿足航空航天、微電子行業電子封裝的要求；
[0027](2)本發明通過選用特定的粒度配比，保證粉末預處理和裝填過程中具有較高的裝粉密度以及粉末均勻分布，為后續成型過程中具有良好的組織狀態和致密度打下基礎；本發明原料粉末硅粉的粒度為-325目，Al粉粒度-400目；粉末預處理工藝是將硅粉和鋁粉按照比例進行混合球磨，具體工藝為球磨時間4?12h，球磨轉速100?200r/min，球料比為5:1?15:1。通過粉末粒度配比和預處理得到了成分均勻、無偏析的SiAl混合粉末；
[0028](3)本發明中硅鋁合金的包套結構采用折彎兩拼結構，此包套結構既便于包套加工又保證了焊接可靠性;根據硅鋁合金的比例，合理選擇包套材質；當硅含量彡50wt%時，包套材質選用純鋁包套；當硅含量>50被％時，包套材質選用20#碳鋼；
[0029](4)本發明的真空熱除氣工序是熱等靜壓工藝中的關鍵步驟，真空熱除氣溫度偏低，吸附性氣體無法抽出，會直接影響靶材最終成形和致密度;真空熱除氣溫度過高又會增加能源消耗和生產成本;本發明中真空熱除氣工藝為最終除氣溫度300?600°C，最終真空度大于I X 10—3Pa，在此基礎上保溫30?300min;整個除氣過程需用高真空手動擋板閥進行緩慢除氣，防止粉末抽出。
[0030](5)本發明的熱等靜壓是一種特殊的粉末燒結方式，在高溫高壓下，粉末的活性極大的增強，能在比燒結更低的溫度下完成材料的致密化過程;熱等靜壓溫度是熱等靜壓工藝的核心制度;熱等靜壓溫度過低，無法實現硅鋁粉末的致密化;熱等靜壓溫度過高會導致鋁相流動性增加，由于鋁液和硅相的潤濕性較差，在熱等靜壓致密化時容易產生局部鋁偏析，從而造成硅鋁合金成分不均和微裂紋產生;根據硅鋁合金的成分比例不同，本發明中選擇的熱等靜壓的工藝為壓制溫度400?1100 °C，壓力80?150MPa，保溫時間I?5h;
[0031](6)與熔鑄法相比，本發明的方法可制備高硅含量(Si含量>30wt%)、成分均勻、晶粒細小、性能優良的硅鋁合金;與噴射沉積法相比，本發明實現了直接熱等靜壓致密化，縮短了生產流程，降低了生產成本；目前噴射沉積法制備的硅鋁合金中Si含量最大為70wt%，而本發明可制備Si含量為95wt%的娃招合金，拓展了娃招合金的應用范圍。與熱壓燒結法相比，本發明可在更低的壓制溫度下實現硅鋁合金的致密化，同時晶粒更加細小，致密度和氣密性更加優良，而且熱等靜壓可實現規模化生產，有效降低生產成本，提高生產效率。
[0032](7)本發明提供了一種電子封裝用高致密度、高熱導率、低熱膨脹系數的硅鋁合金的制備方法。該方法是以硅粉和鋁粉為原料，原料粉末經過混合球磨預處理后裝粉入包套，然后真空熱除氣，在熱等靜壓機中壓制成形，隨后進行機械加工制成成品。本發明制備的硅鋁合金具有以下優點:合金成分比例范圍寬，Si含量為10?95wt%，Al為余量;致密度高，相對密度達到99.5%以上、熱導率為100?180W/mK，熱膨脹系數為5?15X 10—6/K，能夠滿足航空航天、微電子行業電子封裝的要求。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的電子封裝用硅鋁合金的包套結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]—種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，步驟為:
[0035](I)對硅粉和鋁粉的混合粉末進行預處理，預處理過程為:將硅粉和鋁粉按照比例進行混合球磨，具體工藝為球磨時間4?12h，球磨轉速100?200r/min，球料比為5:1?15:1;所述的硅粉的粒度為-325目，Al粉粒度-400目；混合粉末中硅粉的質量含量為10%-95% ；
[0036](2)將步驟(I)中經過預處理后的混合粉末裝入包套中；所述的包套的材料為純鋁或20#碳鋼，當混合粉末中娃粉的質量含量小于等于50%時，包套選用純招包套，當混合粉末中娃粉的質量含量大于50%時，包套選用20#碳鋼包套；
[0037]如圖1所示，所述的包套硅的結構采用折彎兩拼結構，該結構為一帶有兩個凸面的六面體，六面體的四個側面由兩個成“Z”字形且一體成型的板材拼接而成，兩個“Z”字形板材分別記為A板材和B板材；
[0038]A板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直；
[0039]B板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直，
[0040]A板材的長的橫面構成六面體的一個側面a，B板材的長的橫面構成六面體的一個側面b，A板材的豎面為六面體的一個側面c，B板材的豎面為六面體的一個側面d，A板材的長的橫面與B板材短的橫面形成六面體的一個凸面m，A板材的短的橫面與B板材長的橫面形成六面體的另一個凸面η;六面體的上表面由上端蓋組成，六面體的下表面由下端蓋組成;A板材的長的橫面與B板材短的橫面進行焊接連接，A板材的短的橫面與B板材長的橫面進行焊接連接，上表面以及下表面與側面通過焊接連接。
[0041]所述折彎兩拼結構包套的制備方法為:首先將所述包套材質的板料折彎兩次制成包套主體，然后將兩個包套主體進行拼接，將拼接后的包套主體沿短的折彎處焊接形成一個方形整體結構，最后將上端蓋和下端蓋與包套主體形成的方形整體結構焊接在一起制成所述包套。
[0042](3)將步驟(2)裝有混合粉末的包套進行真空熱除氣;所述的真空熱除氣的工藝為最終除氣溫度300?600°C，最終真空度大于I X 10—3Pa，在此基礎上保溫30?300min;整個除氣過程用高真空手動擋板閥進行緩慢除氣，防止粉末抽出；
[0043](4)將步驟(3)真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理，得到壓制成形產品，所述的熱等靜壓致密化處理工藝為壓制溫度400?1100°C，壓制壓力80?150MPa，保溫時間I?5h;
[0044](5)將步驟(4)壓制成形產品進行機械加工制成成品。
[0045]以下將通過具體實施例更進一步地描述本發明，但不限于此。
[0046]實施例1
[0047]按照成分比例Si30A170，wt^^#硅粉和鋁粉球磨混合，球磨工藝是球磨時間10h，球磨轉速120r/min，球料比為8:1。將混合后的粉末裝粉進入包套內，包套材料為純鋁，焊接后進行真空熱除氣。真空熱除氣工藝為最終除氣溫度450°C，最終真空度大于I X 10—3Pa,在此基礎上保溫180min。將真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理。熱等靜壓的工藝參數為:溫度500 0C，壓力140MPa，保溫時間3h。經過測試，硅鋁合金的相對密度為99.86%,熱導率為165W/mK，熱膨脹系數為14X10—VK。
[0048]實施例2
[0049]按照成分比例Si50A150，wt^^#硅粉和鋁粉球磨混合，球磨工藝是球磨時間6h，球磨轉速160r/min，球料比為6:1。將混合后的粉末裝粉進入包套內，包套材料為純鋁，焊接后進行真空熱除氣。真空熱除氣工藝為最終除氣溫度500°C，最終真空度大于I X 10—3Pa,在此基礎上保溫lOOmin。將真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理。熱等靜壓的工藝參數為:溫度6000C，壓力120MPa，保溫時間2h。經過測試，硅鋁合金的相對密度為99.78%，熱導率為152W/mK，熱膨脹系數為9.7X10—VK。
[0050]實施例3
[0051 ] 按照成分比例Si70A130，wt^^#硅粉和鋁粉球磨混合，球磨工藝是球磨時間8h，球磨轉速150r/min，球料比為9:1。將混合后的粉末裝粉進入包套內，包套材料為20#碳鋼，焊接后進行真空熱除氣。真空熱除氣工藝為最終除氣溫度650°C，最終真空度大于I X 10—3Pa，在此基礎上保溫150min。將真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理。熱等靜壓的工藝參數為:溫度800 °C，壓力150MPa，保溫時間Ih。經過測試，硅鋁合金的相對密度為99.69 %，熱導率為130W/mK，熱膨脹系數為7.2 X 10—6/K。
[0052]實施例4
[0053]按照成分比例519(^110，《丨％將硅粉和鋁粉球磨混合，球磨工藝是球磨時間1211，球磨轉速180r/min，球料比為12:1。將混合后的粉末裝粉進入包套內，包套材料為20#碳鋼，焊接后進行真空熱除氣。真空熱除氣工藝為最終除氣溫度750°C，最終真空度大于I X 10—3Pa,在此基礎上保溫240min。將真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理。熱等靜壓的工藝參數為:溫度950 0C，壓力90MPa，保溫時間1.5h。經過測試，硅鋁合金的相對密度為99.63%,熱導率為108W/mK，熱膨脹系數為6.4 X 10—6/K。
[0054]以上通過實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，并不是用來限定本發明。本發明說明書中未作詳細描述內容屬于本領域專業技術人員公知技術。任何本領域技術人員在不脫離本發明的技術實質范圍內，都可以對本發明做出變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術實質，在此基礎上所作的任何簡單修改和變化均屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于步驟為: (1)對硅粉和鋁粉的混合粉末進行預處理； (2)將步驟(I)中經過預處理后的混合粉末裝入包套中； (3)將步驟(2)裝有混合粉末的包套進行真空熱除氣； (4)將步驟(3)真空熱除氣后的包套進行熱等靜壓致密化處理，得到壓制成形產品； (5)將步驟(4)壓制成形產品進行機械加工制成成品。2.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，預處理過程為:將硅粉和鋁粉按照比例進行混合球磨，具體工藝為球磨時間4?1211，球磨轉速100?20(^/111丨11，球料比為5:1?15:1。3.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，所述的硅粉的粒度為-325目，Al粉粒度-400目。4.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(I)中，混合粉末中硅粉的質量含量為1 % -95 %。5.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(2)中，所述的包套的材料為純鋁或20#碳鋼。6.根據權利要求5所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:當混合粉末中娃粉的質量含量小于等于50 %時，包套選用純招包套，當混合粉末中娃粉的質量含量大于50 %時，包套選用20#碳鋼包套。7.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(2)中，所述的包套硅的結構采用折彎兩拼結構，該結構為一帶有兩個凸面的六面體，六面體的四個側面由兩個成“Z”字形且一體成型的板材拼接而成，兩個“Z”字形板材分別記為A板材和B板材； A板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直； B板材包括一個長的橫面、一個短的橫面和一個豎面，所述的長的橫面與豎面垂直，所述的短的橫面與豎面垂直， A板材的長的橫面構成六面體的一個側面a，B板材的長的橫面構成六面體的一個側面b，A板材的豎面為六面體的一個側面c，B板材的豎面為六面體的一個側面d，A板材的長的橫面與B板材短的橫面形成六面體的一個凸面m，A板材的短的橫面與B板材長的橫面形成六面體的另一個凸面η;六面體的上表面由上端蓋組成，六面體的下表面由下端蓋組成;A板材的長的橫面與B板材短的橫面進行焊接連接，A板材的短的橫面與B板材長的橫面進行焊接連接，上表面以及下表面與側面通過焊接連接。8.根據權利要求7所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述折彎兩拼結構包套的制備方法為:首先將所述包套材質的板料折彎兩次制成包套主體，然后將兩個包套主體進行拼接，將拼接后的包套主體沿短的折彎處焊接形成一個方形整體結構，最后將上端蓋和下端蓋與包套主體形成的方形整體結構焊接在一起制成所述包套。9.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(3)中，所述的真空熱除氣的工藝為最終除氣溫度300?600°C，最終真空度大于I X 10—3Pa，在此基礎上保溫30?300min。10.根據權利要求1所述的一種電子封裝用硅鋁合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(4)中，所述的熱等靜壓致密化處理工藝為壓制溫度400?1100°C，壓制壓力80?150MPa，保溫時間I?5h。
【文檔編號】C22C30/00GK106086494SQ201610402544
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】崔子振, 謝飛, 石剛, 續秋玉
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院