一种电子封装材料的制备方法与流程

本发明涉及电子封装材料制备技术领域，具体涉及一种采用3d打印工艺制备具有梯度成分的钨铜电子封装材料的方法。

背景技术：

随着电子技术的发展，封装的小型化和组装的高密度化对电子组装质量和封装材料的要求越来越高，钨铜电子封装材料具有优良的导热性能和可调节的热膨胀系数，是目前国内外军用电子元器件特别是固态相控阵雷达首选的电子封装材料。虽然我国研制的钨铜电子封装材料的性能已接近国际同类产品的水平，但随着钨铜电子封装材料零部件的品种、规格愈来愈多，性能要求越来越高，目前常用的熔渗烧结工艺存在熔渗工艺周期长，熔渗比例和熔渗梯度不可控等问题，这也导致产品合格率低，生产效率低，生产成本高。

3d打印技术在制造效率和成分可控性方面具有得天独厚的优势，由于3d打印技术同样是采用粉末为原料的，在原料成本上与熔渗工艺相当，但在工艺性和生产效率方面都要高于熔渗工艺，在电子封装材料的制备方面具有非常大的产业化应用前景，国内一些高校和科研机构率先将3d打印技术引入电子封装材料的制造中，并取得了一些效果，例如中南大学马莉等开发了一种作为高性能电子封装功能材料的三维网络金刚石骨架增强铜基复合材料，其中在制备cu三维网络时采用了3d打印技术，该技术可参见中国专利201510661499.5；大连交通大学陆兴等则利用同轴送粉激光3d打印方法制得了成分恒定或者随着打印层数的增加具有所需成分梯度变化的钨铜合金构件，该技术可参见中国专利201710229361.7。

虽然上面的一些研究中也利用了同轴送粉激光3d打印方法制备钨铜电子封装材料，但将相关工艺应用到产业中尚存在一些问题，这主要是因为钨的熔点非常高，3d打印中的激光能量不可能将钨全部熔化，其烧结机理主要还是靠促成铜的熔融以起到粘接、烧结和致密作用，而在利用同轴送粉激光3d打印方法制备钨铜电子封装材料时，为了构造成分梯度，钨粉末和铜粉末需要在线混合，钨粉末和铜粉末在未进行任何预混的情况下仅仅通过载气腔道的气悬作用混合并输送到激光束下时，这就可能因为载气的不稳定以及粉末喷嘴的固有缺陷导致钨铜混合不均匀甚至是大的出料误差，从而导致在相对稳定的激光能量下出现熔覆层内局部过熔或欠熔，给产品留下缺陷。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种电子封装材料的制备方法，改变传统的将两种或多种单一组成的粉末仅依靠在线混合的粉料输送方式，而是根据预先设计的钨铜成分梯度，先制备具有一定铜含量的钨铜预混合粉末，然后与仅含有铜粉末的单一铜粉末以不同的送粉量在线混合送粉并逐层打印，在提高了梯度成分的控制精度的同时，也使粉末成分混合更均匀，熔覆层质量更高。

本发明的技术方案如下：

一种电子封装材料的制备方法，采用激光3d打印工艺，所述电子封装材料成分至少包括钨和铜，并且钨和铜的重量比在不同的打印层呈梯度变化，通过将混合有钨粉末和铜粉末的钨铜预混合粉末与仅含有铜粉末的单一铜粉末以不同的送粉量在线混合送粉并逐层打印以获得所述的钨和铜的重量比呈梯度变化的不同打印层。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)分别准备钨粉末和铜粉末；

(2)取钨粉末，按设定的重量百分比加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到预混合粉末；

(3)将步骤(2)得到的预混合粉末加入第一送粉筒中，将单一铜粉末加入第二送粉筒中，调试送粉器，确保载气气源和输送管道工作正常；

(4)启动激光3d打印设备，按照设定程序调节成型腔内氧浓度，预热基板，直至符合打印要求；

(5)启动打印程序，通过调节第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率向基板或预制钨基底层上的打印起点位置输送设定组成的钨铜混合粉末，同时激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(6)改变第一送粉筒和第二送粉筒的相对送粉速率，向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，同时激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(7)继续改变第一送粉筒和第二送粉筒的相对送粉速率，重复步骤(6)的操作，直至完成全部打印层的制造，获得钨和铜的重量比呈梯度变化的电子封装材料；

(8)对步骤(7)得到的电子封装材料进行尺寸加工和/或后处理。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，在所述步骤(2)中，所述预混合粉末中铜粉末的重量占比为5％-15％，在所述步骤(5)中，所述设定组成的钨铜混合粉末中铜粉末的重量占比为5％-15％。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)分别准备钨粉末和铜粉末；

(2)取部分钨粉末，按设定的第一重量百分比加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到第一预混合粉末，取剩余部分钨粉末，按设定的第二重量百分比加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到第二预混合粉末；

(3)将步骤(2)得到的第一预混合粉末加入第一送粉筒中，将单一铜粉末加入第二送粉筒中，将步骤(2)得到的第二预混合粉末加入第三送粉筒中，调试送粉器，确保载气气源和输送管道工作正常；

(4)启动激光3d打印设备，按照设定程序调节成型腔内氧浓度，预热基板，直至符合打印要求；

(5)启动打印程序，通过调节第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率向基板或预制钨基底层上的打印起点位置输送设定组成的钨铜混合粉末，同时激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(6)改变第一送粉筒和第二送粉筒的相对送粉速率，向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，同时激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(7)继续改变第一送粉筒和第二送粉筒的相对送粉速率，重复步骤(6)的操作，直至需要打印的当前层中铜的重量占比将要达到、刚好达到或刚好超过第二预混合粉末中铜粉末的重量占比时，通过调节第三送粉筒和第二送粉筒的送粉速率向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，同时激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高，然后，继续改变第三送粉筒和第二送粉筒的相对送粉速率，重复送粉和熔覆操作，直至完成全部打印层的制造，获得钨和铜的重量比呈梯度变化的电子封装材料；

(8)对步骤(7)得到的电子封装材料进行尺寸加工和/或后处理。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，在所述步骤(2)中，第一预混合粉末中铜粉末的重量占比为5％-15％，第二预混合粉末中铜粉末的重量占比为45％-55％，在所述步骤(5)中，所述设定组成的钨铜混合粉末中铜粉末的重量占比为5％-15％，在所述步骤(7)中，开始引入第三送粉筒中的第二预混合粉末时，需要打印的当前层中铜的重量占比为45％-55％。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，所述步骤(1)中准备的钨粉末的粒径范围为5-50μm，铜粉末的粒径范围为10-100μm。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，所述步骤(2)中粉末在球磨机或搅拌机中预混合在保护气氛下进行。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，所述步骤(4)中调节成型腔内氧浓度小于100ppm，预热基板至200-600℃。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，所述步骤(5)到步骤(7)中每个打印层的厚度为200-1500μm，每级梯度的设定层高为200-6000μm。

如上所述的一种电子封装材料的制备方法，所述步骤(5)到步骤(7)中激光功率为200-2000w，激光扫描速率为2-10mm/s。

本发明可取得如下技术效果：

本发明提出一种电子封装材料的制备方法，通过将混合有钨粉末和铜粉末的钨铜预混合粉末与仅含有铜粉末的单一铜粉末以不同的送粉量在线混合送粉并逐层打印以获得钨和铜的重量比呈梯度变化的不同打印层，改变了传统的多粉筒送粉方式中将两种或多种单一组成的粉末仅依靠在线混合的粉料输送方式，根据预先设计的钨铜成分梯度，先制备具有一定铜含量的钨铜预混合粉末，该部分粉末由于以较高的混粉标准在钨粉末中预先混入了铜粉或者结合入了铜成分，使得进入载气粉腔和通过粉末喷嘴喷出的混合粉末中具有了一定量事先分布均匀的易熔易烧结铜元素，与仅含有铜粉末的单一铜粉末以不同的送粉量在线混合送粉时，减少了因载气不稳定或载气腔道及喷嘴结构设计缺陷而导致的喷出粉末混合不均匀问题或大的成分比例误差，使熔覆层质量更高，电子封装材料的内部缺陷更少。

附图说明

图1为采用本发明各实施例的方法制备的电子封装材料结构示意图。

图2为采用本发明实施例1的方法制备电子封装材料的原理图。

图3为采用本发明实施例2的方法制备电子封装材料的原理图。

图中：

1-第一送粉筒，2-第二送粉筒，3-同步送粉激光打印头，4-钨铜电子封装材料，5-第三送粉筒。

具体实施方式

实施例1

一种电子封装材料的制备方法，采用激光3d打印工艺，所述电子封装材料成分至少包括钨和铜，并且钨和铜的重量比在不同的打印层呈梯度变化，如图1所示，本实施例要打印的钨铜电子封装材料4从底层开始，铜的重量分数可以是0％或10％，当铜的重量分数是0％时，可以预先铺设或加工一层纯钨基底层，然后采用激光3d打印工艺先后打印铜的质量分数为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％的梯度层，相应的各梯度层中钨的质量分数为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％。

根据后续工艺需要，可选的，可在打印完成铜的质量分数为90％的梯度层后，再打印一层铜的质量分数为100％的梯度层。

与传统的多粉筒送粉方式中将两种或多种单一组成的粉末仅依靠在线混合的粉料输送方式不同，如图2所示，在第一送粉筒1中装有混合有钨粉末和铜粉末的钨铜预混合粉末，在第二送粉筒2中装有仅含有铜粉末的单一铜粉末，通过将混合有钨粉末和铜粉末的钨铜预混合粉末与仅含有铜粉末的单一铜粉末以不同的送粉量在线混合送粉并逐层打印以获得如图1所示的钨和铜的重量比呈梯度变化的不同打印层。

具体的，上述电子封装材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)分别准备钨粉末和铜粉末；

(2)取钨粉末，按设定的重量百分比90％w+10％cu加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到预混合粉末；

(3)将步骤(2)得到的预混合粉末加入第一送粉筒1中，将100％cu单一铜粉末加入第二送粉筒2中，调试送粉器，确保载气气源和输送管道工作正常；

(4)启动激光3d打印设备，按照设定程序调节成型腔内氧浓度至小于100ppm，预热基板，直至符合打印要求，基板预热温度可在200-600℃范围选择；

(5)启动打印程序，通过调节第一送粉筒1和第二送粉筒2的送粉速率向基板或预制钨基底层上的打印起点位置输送90％w+10％cu钨铜混合粉末(由于第一送粉筒1中的预混合粉末就已经是90％w+10％cu，这意味着打印该层时第二送粉筒2的送粉速率可以直接设为0),同时同步送粉激光打印头3发射的激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(6)改变第一送粉筒1和第二送粉筒2的相对送粉速率，向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，使粉末成分为80％w+20％cu，同时同步送粉激光打印头3发射的激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(7)继续改变第一送粉筒1和第二送粉筒2的相对送粉速率，重复步骤(6)的操作，依次实现粉末成分为70％w+30％cu、60％w+40％cu、50％w+50％cu、40％w+60％cu、30％w+70％cu、20％w+80％cu、10％w+90％cu的梯度层的打印(可选的，最后当第一送粉筒1的送粉速率降到0时，可得到100％cu成分层)，按顺序完成全部打印层的制造后，可获得钨和铜的重量比呈梯度变化的电子封装材料；

(8)对步骤(7)得到的电子封装材料进行机械精加工，然后进行退火处理，得到最终产品。

根据需要，步骤(1)中准备的钨粉末的粒径范围可在5-50μm范围选择，铜粉末的粒径可在10-100μm范围选择，步骤(2)中的粉末可采用球磨机或搅拌机预混合，优选在保护气氛下进行粉末的混合，本实施例中选择80目和100目的钨粉末和60目的铜粉末在球磨机中混合，可得到成分均匀的预混合粉末。高能球磨是一种最优选的预混合方式，通过高能球磨的合金化效应使两种金属之间达到一定程度的冷焊和进一步细碎，打印效果更优异。步骤(5)到步骤(7)中每个打印层的厚度可在200-1500μm范围选择，相应的每级梯度的设定层高可在200-6000μm选择，本实施例中，每个打印层的厚度为500μm，相应的每级梯度的设定层高为2000μm，当然，每一梯度层的打印层厚度和层高都是可以变化的，扫描时，根据各层金属成分不同，激光功率和扫描速度可作适当调整，平均功率可控制在800-1500w，激光扫描速率在7-10mm/s。根据本实施例的工艺获得的样品，在退火后进行检测，导热率不亚于熔渗产品，比将两种或多种单一组成的粉末仅依靠在线混合的粉料输送方式得到的同等成分梯度的产品稍高，但内部组织均匀性明显优于仅依靠在线混合的粉料输送方式得到的同等成分梯度的产品，打印缺陷明显减少，合格率能提高15％左右。

实施例2

本实施例是针对与实施例1中同样成分梯度结构设计的钨铜电子封装材料4(如图1所示)，在实施例1针对技术问题提出的解决方案的基础上进一步作出的改进，如图3所示，在第一送粉筒1和第三送粉筒5中均装有混合有钨粉末和铜粉末的钨铜预混合粉末，在第二送粉筒2中装有仅含有铜粉末的单一铜粉末，在新增的第三送粉筒5中加入了与要打印的梯度结构中间梯度成分接近的钨铜预混合粉末。

本实施例具体包括如下步骤：

(1)分别准备钨粉末和铜粉末；

(2)取部分钨粉末，按设定的第一重量百分比90％w+10％cu加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到第一预混合粉末，取剩余部分钨粉末，按设定的第二重量百分比50％w+50％cu加入铜粉末，在球磨机或搅拌机中充分混合均匀得到第二预混合粉末；

(3)将步骤(2)得到的第一预混合粉末加入第一送粉筒1中，将100％cu单一铜粉末加入第二送粉筒2中，将步骤(2)得到的第二预混合粉末加入第三送粉筒5中，调试送粉器，确保载气气源和输送管道工作正常；

(4)启动激光3d打印设备，按照设定程序调节成型腔内氧浓度至小于100ppm，预热基板，直至符合打印要求，基板预热温度可在200-600℃范围选择；

(5)启动打印程序，通过调节第一送粉筒1和第二送粉筒2的送粉速率向基板或预制钨基底层上的打印起点位置输送90％w+10％cu钨铜混合粉末(由于第一送粉筒1中的预混合粉末就已经是90％w+10％cu，这意味着打印该层时第二送粉筒2的送粉速率可以直接设为0)，同时同步送粉激光打印头3发射的激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(6)改变第一送粉筒1和第二送粉筒2的相对送粉速率，向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，使粉末成分为80％w+20％cu，同时同步送粉激光打印头3发射的激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高；

(7)继续改变第一送粉筒1和第二送粉筒2的相对送粉速率，重复步骤(6)的操作，依次实现粉末成分为70％w+30％cu、60％w+40％cu的梯度层的打印，接下来，保持第一送粉筒1的送粉速率为0，通过调节第三送粉筒5和第二送粉筒2的送粉速率向已经完成的打印层上输送钨和铜的重量比改变后的钨铜混合粉末，使粉末成分为50％w+50％cu(由于第三送粉筒5中的预混合粉末就已经是50％w+50％cu，这意味着打印该层时第二送粉筒2的送粉速率可以直接设为0)，同时同步送粉激光打印头3发射的激光束照射到钨铜混合粉末上对钨铜混合粉末进行熔覆，按照程序设定的扫描路径完成一层或多层打印层的制造，直到达到设定层高，然后，继续改变第三送粉筒5和第二送粉筒2的相对送粉速率，重复送粉和熔覆操作，依次实现粉末成分为40％w+60％cu、30％w+70％cu、20％w+80％cu、10％w+90％cu的梯度层的打印(可选的，当最后第三送粉筒5的送粉速率降到0时，可得到100％cu成分层)，按顺序完成全部打印层的制造后，可获得钨和铜的重量比呈梯度变化的电子封装材料；

(8)对步骤(7)得到的电子封装材料进行机械精加工，然后进行退火处理，得到最终产品。

在执行上述步骤时，尽量保持工艺选择与实施例1中一致，在退火后进行检测，导热率和内部组织均匀性不但优于仅依靠在线混合的粉料输送方式得到的同等成分梯度的产品，也优于实施例1中得到的同等成分梯度的产品，整体合格率能提高19％左右，这是由于在新增的第三送粉筒5中加入了与要打印的梯度结构中间梯度成分接近的钨铜预混合粉末，进一步提高了预先得到充分混合的钨铜粉末的比重，在更多的钨粉末中预置入了铜粉或者结合入了铜成分，从而进一步减少了进入熔融区域的粉末的成分比例误差，减少了内部缺陷。

需要说明的是，本发明为验证工艺，选择了仅由钨和铜组成的钨铜材料，这是因为钨和铜为钨铜电子封装材料中的基体金属，实际应用中的钨铜电子封装材料往往还含有合金成分或增强成分，这些成分多可以在执行本发明的工艺前或者在执行本发明的工艺时以预合金或单独供应等方式灵活加入，因此，只要应用了本发明的工艺对以钨和铜为基体的电子封装材料进行制造和生产，就应当视为完全落入本发明的范围，而不能认为本发明只适用于仅由钨和铜组成的钨铜材料。

以上所述，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。