一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法
【专利摘要】一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法，属于电子封装生产【技术领域】，将块状A356铝合金加热熔化后保温静置；再在搅拌条件下，向保温静置后的铝合金液加入体积分数为10%～24%的Si颗粒；然后冷却后，可得到Si含量为16%～30%的铝合金半固态坯料，经模具连续挤压成形，成形腔设计在挤压模具凹模腔的底部边缘水平方向。本发明利用半固态挤压成形中液相与固相偏析和分离的特征，制备加工高性能薄壁复杂形状高Si铝合金电子封装壳体。成形腔设计在挤压模具凹模腔的底部边缘水平方向，可以保证在垂直方向挤压时浆料在水平方向产生偏析和分离。
【专利说明】一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子封装生产【技术领域】，特别是提供了一种用半固态技术制备高Si招合金封装外壳成形工艺。
【背景技术】
[0002]现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，开发新型高性能结构材料以及其先进加工技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题，这一现象在电子封装领域体现得更为明显。航空航天、电子通信的飞速发展要求电子元器件能够具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量，从而使得电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高，这必然会导致电路发热量提高、工作温度上升，而稳定性下降。据计算，在半导体器件中，温度每升高18°C，失效的可能性就增加2-3倍。目前，电子封装壳体结构件主要通过用粉末注射法(SiC预制坯+液态金属熔渗)制备加工。由于该方法存在工艺路线长、加工成本高、气密性差、规模化生产能力弱等缺点，使SiC/铝封装壳体一直未实现实际应用。长期以来探索高性能、特别是具有高热导率和低热膨胀系数特点的薄壁复杂形状封装壳体结构件的短流程、近终型加工技术已成为电子信息行业迫切需要解决的问题。如何找到一种巧妙的成形方法已成为广大科学家和工程师一项极具创造性和挑战性的工作。目前，问题的主要瓶颈是如何制备出新型电子封装材料并提出短流程、近净成形且易于控制的材料成形工艺。
[0003]另一方面，为尽快扭转在我国经济建设中占有重要地位的材料加工行业的高能耗、重污染和低性价比，提高产品质量，减轻环境污染，增强其国际竞争力，迫切需要从冶金材料科学发展前沿出发，突破传统的冶金及加工工艺理论和概念，利用高新技术对材料加工及控制技术进行新的工艺探索，实现生产过程的短流程、低能耗和高质量。20世纪70年代初期半固态加工技术的出现无疑为解决上述问题带来了希望。
[0004]目前国内外所做的研究工作大部分都是通过采用半固态成形技术加工汽车、摩托车等零件。用于笔记本、手机壳体等为代表的3C产品主要是镁合金材料。在对半固态压铸时浆料流动行为的研究过程中(固相分数约50%)，德国亚琢工业大学(RWTH-Aachen)的半固态研究中心曾专门设计了一个T形状浆料充填装置。根据其研究结果，半固态浆料流动形式可分为紊流、过渡过程和层流(turbulent, transient and laminar)。其根本形式取决于浆料充填速度、凝固过程中的温度和压力，并可使用非牛顿流体的双相模型对半固态浆料流动形式进行模拟。此外还有一个重要的发现:半固态浆料在充填过程中极易产生液相和固相的偏析和分离，其偏析和分离的程度取决于浆料充填速度、凝固过程中的温度和压力。在半固态A356铝合金的浆料充填研究过程中，本专利 申请人:曾专门设计了不同的模具对浆料的充填状况进行研究，结果发现，半固态浆料在模腔的充填过程中极易产生液相和固相的偏析和分离现象，其严重程度与模具型腔的形状、结构以及浆料充填的速度、温度和压力等有关。
[0005]一般认为，半固态成形过程中液相与固相偏析和分离会导致成形件中成份组织分布不均，从而产生组织性能和力学性能分布不均，对使用性能产生不利影响。在高Si铝合金半固态触变挤压成形中，通过对成形件部分区域的显微组织观察发现，Si颗粒分布密度随着半固态浆料充填行程的不断增加呈不断上升的趋势，这与半固态成形中液相流动及分布规律一致。其根本的原因是由于在半固态浆料中Si颗粒主要分布于以b-共晶相存在的液相中的缘故，在随后的半固态挤压成形中Si颗粒随着液相流动到零件的边部或顶部，因而其体积分布规律与液相分数规律一致。这表明，Si颗粒体积分数的提高可以通过对液相分数分布规律进行控制来实现，也就是可用低Si体积分数的铝合金通过半固态挤压成形得到高Si体积分数的电子封装壳体结构件，从而降低热膨胀系数。实现把半固态成形中液相与固相偏析和分离的不利因素转化为制备与成形高Si体积分数电子封装壳体时的有利因素。
[0006]此外，高硅铝合金导热性能良好，密度低，约为2.3?2.5 g/cm3，比SiC颗粒增强的铝基复合材料还轻20%左右，原材料来源丰富，成本低廉，易于加工和表面处理(易电镀)，且环境友好并可回收再生利用的优点，非常适合在军工和航空航天大功率混合电路元器件封装壳体结构件上使用。
[0007]实际上，金属(复合)材料以及超导材料的导热、导电性能除了与(复合)材料本身成份结构相关外，与其加工过程中形成的形变织构有很重要的关系。目前国内外对SiC预制坯的Al液或Cu液润浸法仍是走传统铸造成型的道路，所得到的复合材料显微组织中无明显形变织构，也就是说，所制备加工的电子封装壳体是各向同性。在清华大学超导研究中心，对陶瓷材料和银金属制成的B1-系高温超导材料研究表明，陶瓷金属基复合材料中存在明显织构的地方，其导电导热性能会成十倍的增加。而形变织构的形成必须通过金属塑性成形的方法获得。在半固态挤压成形过程中，浆料是在一定的压力下由模具挤入模腔，其中的a-相在充填过程中会被拉长，形成与充填方向相一致的有利织构。
[0008]目前薄壁复杂电子封装壳体零件主要使用铝基或铜基复合材料，如SiC/Al、SiC/Cu、Al/S1、Mo/Cu、W/ Cu以及Invar、Kovar等合金。使用Kovar合金时可采用冲压技术加工而成，使用Mo/Cu、ff/ Cu时可采用粉末成形(机械合金化+粉末注射)技术加工而成，使用SiC/Al、SiC/Cu时可采用粉末冶金法(SiC预制坯+融熔金属浸润法)加工而成。而Cu和Al虽导热性好，但热膨胀系数过大，为降低热膨胀系数通常采用提高SiC颗粒体积分数的办法，然而采用粉末冶金法制备高SiC颗粒体积分数电子封装壳体的方法存在加工路线长、成本高、气密性差等缺点，有许多关键技术没有解决。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种能克服用粉末注射法制备高SiC体积分数复合材料电子封装壳体存在的加工路线长、生产成本高等问题的高硅铝合金封装外壳半固态成形方法。
[0010]本发明包括以下步骤:
1)将块状A356铝合金加热熔化后保温静置20?30分钟；
2)搅拌条件下，向保温静置后的铝合金液加入体积分数为10%?24%的Si颗粒；然后冷却后，可得到Si含量为16%?30%的铝合金半固态坯料；
3)将半固态浆料输送到模具中连续挤压成形；成形腔设计在挤压模具凹模腔的底部边缘水平方向。
[0011]本发明利用半固态技术制备低热膨胀、高导热高Si铝合金电子封装外壳工艺，克服用粉末注射法制备高SiC体积分数复合材料电子封装壳体存在的加工路线长、生产成本高等问题，利用半固态挤压成形中液相与固相偏析和分离的特征，制备加工高性能薄壁复杂形状高Si铝合金电子封装壳体。成形腔设计在挤压模具凹模腔的底部边缘水平方向，可以保证在垂直方向挤压时浆料在水平方向产生偏析和分离。
[0012]本发明的优点:
1、利用半固态成形过程中液相与固相偏析和分离特征，将半固态成形工艺应用于高Si铝合金电子封装壳体的制备。所得到的技术原型和通用性核心技术可同样运用于其它颗粒增强复合材料成形高颗粒体积分数的金属壳体零件，如Al2O3 /Cu合金和Si3N4/Cu合金等。
[0013]2、本发明针对高导热、低膨胀电子封装壳体加工的市场需求，用低Si体积分数铝合金通过半固态挤压成形工艺来制备高Si体积分数铝合金电子封装壳体，扩大了半固态技术的应用领域，拓展了电子封装壳体的制造途径，是一种完成崭新的成形工艺。使用该工艺，不但可以实现电子封装壳体的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量。完成后将使我国在高强度、超高热导率和低热膨胀系数等高性能电子封装壳体的制备与成形技术上一个大台阶，为其高性能化和低成本生产提供有力保证。
[0014]另外，本发明所述连续挤压成形的速度为80mm/s?140mm/s,成形温度为575°C?579°C，模具预热温度为200°C?300°C，成形压力为400KN?600KN，保压时间为5?10秒。
[0015]半固态挤压成形电子封装壳体分为触变挤压成形和流变挤压成形两种方法。当使用流变挤压成形方法制备电子封装壳体时，直接将半固态浆料输送到模具中挤压成形；对于用触变挤压成形方法制备电子封装壳体，需要进行半固态坯料二次感应加热，将感应加热后半固态坯料放入挤压模具中挤压成形得到电子封装壳体。
【具体实施方式】
[0016]实施例1:使用半固态触变挤压成形方法制备Si体积分数为50%的高Si铝合金电子封装外壳零件。
[0017]1、模具设计:设计结构形式为反挤压成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部边缘水平方向加工出电子封装壳体的成形腔。
[0018]2、加工工艺:从 Duralcan 公司(Duralcan company)购买直径为 Φ 50_ 的 A356铝合金，其中Si含量为20%体积分数。距切加工后，首先用580°C的感应加热炉将坯料快速均匀加热到半固态温度。
[0019]将感应加热后的半固态坯料迅速用夹具放入到挤压模具的凹模中(成形温度为578°C，模具预热温度设为200°C)。压力机的挤压速度调整为120mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为600KN，保压时间设为10秒。
[0020]使用以上参数可挤压成形得到薄壁复杂电子封装壳体零件(Si体积分数为50%)。
[0021]实施例2:使用半固态流变挤压成形方法制备Si体积分数为55%的高Si铝合金电子封装外壳零件。
[0022]1、模具设计:设计结构形式为反挤压成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部边缘水平方向加工出电子封装壳体的成形腔。[0023]2、加工工艺:在100°C对块状基体金属铝合金A356进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化。熔化温度为640°C，铝合金在完全熔化后保温静置30分钟。向保温静置后的铝合金液加入体积分数为21%的细Si颗粒。为防止聚集，Si颗粒表面要预处理，在加入过程中要分多次逐步加入，边加入边均匀搅拌，同时控制冷却到半固态温度579°C。
[0024]使用简易浆料输送装置将半固态浆料放入挤压模具的凹模中(成形温度为575°C?579°C，模具预热温度设为280°C)。压力机的挤压速度调整为130mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为600KN，保压时间设为8秒。
[0025]使用以上参数可挤压成形得到薄壁复杂电子封装壳体零件(Si体积分数为54%)。
[0026]实施例3:使用半固态流变挤压成形方法制备Si体积分数为60%的高Si铝合金电子封装外壳零件。
[0027]1、模具设计:设计结构形式为反挤压成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部边缘水平方向加工出电子封装壳体的成形腔。
[0028]2、加工工艺:在100°C对块状基体金属铝合金A356进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化。熔化温度设为640°C，铝合金在完全熔化后保温静置20分钟。向保温静置后的铝合金液加入体积分数为24%的细Si颗粒。为防止聚集，Si颗粒表面要预处理，在加入过程中要分多次逐步加入，边加入边均匀搅拌，同时控制冷却到半固态温度579°C。使用简易浆料输送装置将半固态浆料放入挤压模具的凹模中(模具预热温度为290°C，模具预热温度设为260°C)。压力机的挤压速度调整为140mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为500KN，保压时间设为7秒。
[0029]使用以上参数可挤压成形得到薄壁复杂电子封装壳体零件(Si体积分数60%)。
[0030]实施例4:使用半固态触变挤压成形方法制备Si体积分数为60%的高Si铝合金电子封装外壳零件。
[0031]1、模具设计:设计结构形式为反挤压成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部边缘水平方向加工出电子封装壳体的成形腔。
[0032]2、加工工艺:在100°C对块状基体金属铝合金A356进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化。熔化温度设为640°C，铝合金在完全熔化后保温静置30分钟。向保温静置后的铝合金液加入体积分数为10%的细Si颗粒。为防止聚集，Si颗粒表面要预处理，在加入过程中要分多次逐步加入，边加入边均匀搅拌，同时控制冷却到半固态温度579°C。
[0033]将半固态混合料再投入感应加热炉，在579 °C温度下处理3分钟，然后使用简易浆料输送装置将半固态浆料放入挤压模具的凹模中(模具预热温度为285°C，模具预热温度设为260°C)。压力机的挤压速度调整为80mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为400KN，保压时间设为10秒。
[0034]使用以上参数可挤压成形得到薄壁复杂电子封装壳体零件(Si体积分数58%)。
【权利要求】
1.一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将块状A356铝合金加热熔化后保温静置20?30分钟； 2)搅拌条件下，向保温静置后的铝合金液加入体积分数为10%?24%的Si颗粒；然后冷却得到铝合金半固态坯料； 3)将半固态浆料输送到模具中连续挤压成形；成形腔设计在挤压模具凹模腔的底部边缘水平方向。
2.根据权利要求1所述高硅铝合金封装外壳半固态成形方法，其特征在于所述连续挤压成形的速度为80mm/s?140mm/s，成形温度为575°C?579°C，模具预热温度为200°C?300°C，成形压力为400KN?600KN，保压时间为5?10秒。
3.根据权利要求1或2所述高硅铝合金封装外壳半固态成形方法，其特征在于所述挤压成形为流变挤压成形，直接将半固态浆料输送到模具中挤压成形。
4.根据权利要求1或2所述高硅铝合金封装外壳半固态成形方法，其特征在于所述挤压成形为触变挤压成形，将铝合金半固态坯料进行二次感应加热后，输送到模具中挤压成形。
【文档编号】B22D1/00GK103831417SQ201410087101
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】王开坤, 王雷刚, 孟健, 尹飞, 刘孝娟, 吕恒林, 仇世伟 申请人:扬州宏福铝业有限公司