一种电子封装用硅铝合金的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种电子封装用硅铝合金的制备方法，具体是指一种电子封装用高致密度、高热导率、低热膨胀系数的硅铝合金材料的制备方法，属于封装材料技术领域。该方法是以硅粉和铝粉为原料，原料粉末经过混合球磨预处理后装粉入包套，然后真空热除气，在热等静压机中压制成形，随后进行机械加工制成成品。本发明制备的硅铝合金具有以下优点：合金成分比例范围宽，Si含量为10～95wt％，Al为余量；致密度高，相对密度达到99.5％以上、热导率为100～180W/mK，热膨胀系数为5～15×10?6/K，能够满足航空航天、微电子行业电子封装的要求。
【专利说明】
一种电子封装用硅铝合金的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种电子封装用硅铝合金的制备方法，具体是指一种电子封装用高致密度、高热导率、低热膨胀系数的硅铝合金材料的制备方法，属于封装材料技术领域。
【背景技术】
[0002]随着航空航天微电子器件、半导体集成电路向大功率、小型化、轻量化、低成本、高性能和高可靠性的方向发展，集成电路的集成度迅猛增加，导致芯片发热量急剧上升，芯片寿命下降。据报道，温度每升高10°C，半导体芯片因寿命的缩短而产生的失效就为原来的三倍。这是由于在微电子集成电路以及大功率整流器件中，材料之间散热性能不佳而导致的热疲劳以及热膨胀系数不匹配而产生的热应力所引起的。解决该问题的重要手段就是使用新的性能更好的封装材料。
[0003]目前电子封装用硅铝合金主要采用熔铸法、喷射沉积法和热压烧结法制备。传统的熔铸法制备的硅铝合金由于硅含量较高，初晶硅相生长为粗大的针状或板条状，且出现严重的偏析现象，造成力学性能及物理性能恶化，限制了材料的实际应用。喷射沉积法首先喷射沉积得到坯锭然后通过热等静压或热挤压实现完全致密化。喷射沉积法虽然可获得组织成分均匀、晶粒细小、性能优良的硅铝合金材料，但是存在工艺复杂、致密化成本高等问题。热压烧结法制备的硅铝合金存在硅含量不高(一般小于50% )、气密性差、规模化生产成本高等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提出一种电子封装用硅铝合金的制备方法，该方法制备的用于电子封装的硅铝合金致密度高、热导率高、热膨胀系数低，且该方法可规模化生产。
[0005]本发明的技术解决方案是:
[0006]—种电子封装用硅铝合金的制备方法，步骤为:
[0007](I)对硅粉和铝粉的混合粉末进行预处理；
[0008](2)将步骤(I)中经过预处理后的混合粉末装入包套中；
[0009 ] (3)将步骤(2)装有混合粉末的包套进行真空热除气；
[0010](4)将步骤(3)真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理，得到压制成形产品;
[0011](5)将步骤(4)压制成形产品进行机械加工制成成品。
[0012]所述的步骤(I)中，预处理过程为:将硅粉和铝粉按照比例进行混合球磨，具体工艺为球磨时间4?12h，球磨转速100?200r/min，球料比为5:1?15:1。
[0013]所述的步骤(I)中，所述的硅粉的粒度为-325目，Al粉粒度-400目。
[0014]所述的步骤(I)中，混合粉末中硅粉的质量含量为1% -95 %。
[0015]所述的步骤(2)中，所述的包套的材料为纯铝或20#碳钢。
[0016]当混合粉末中娃粉的质量含量小于等于50 %时，包套选用纯招包套。
[00?7]当混合粉末中娃粉的质量含量大于50 %时，包套选用20#碳钢包套。
[0018]所述的步骤(2)中，所述的包套硅的结构采用折弯两拼结构，该结构为一带有两个凸面的六面体，六面体的四个侧面由两个成“Z”字形且一体成型的板材拼接而成，两个“Z”字形板材分别记为A板材和B板材；
[0019]A板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直；
[0020]B板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直，
[0021]A板材的长的横面构成六面体的一个侧面a，B板材的长的横面构成六面体的一个侧面b，A板材的竖面为六面体的一个侧面c，B板材的竖面为六面体的一个侧面d，A板材的长的横面与B板材短的横面形成六面体的一个凸面m，A板材的短的横面与B板材长的横面形成六面体的另一个凸面η;六面体的上表面由上端盖组成，六面体的下表面由下端盖组成;A板材的长的横面与B板材短的横面进行焊接连接，A板材的短的横面与B板材长的横面进行焊接连接，上表面以及下表面与侧面通过焊接连接。
[0022]所述折弯两拼结构包套的制备方法为:首先将所述包套材质的板料折弯两次制成包套主体，然后将两个包套主体进行拼接，将拼接后的包套主体沿短的折弯处焊接形成一个方形整体结构，最后将上端盖和下端盖与包套主体形成的方形整体结构焊接在一起制成所述包套。
[0023]所述的步骤(3)中，所述的真空热除气的工艺为最终除气温度300?600°C，最终真空度大于I X 10—3Pa,在此基础上保温30?300min。
[0024]所述的步骤(4)中，所述的热等静压致密化处理工艺为压制温度400?1100°C，压制压力80?150MPa，保温时间I?5h。
[0025]有益效果
[0026](I)本发明的目的在于提供一种电子封装用高致密度、高热导率、低热膨胀系数的硅铝合金材料的制备方法;本发明制备的硅铝合金材料合金成分比例范围宽，Si含量为10?95wt %，Al为余量;致密度高，相对密度达到99.5 %以上、热导率为100?180W/mK，热膨胀系数为5?15X10—6/K，能够满足航空航天、微电子行业电子封装的要求；
[0027](2)本发明通过选用特定的粒度配比，保证粉末预处理和装填过程中具有较高的装粉密度以及粉末均匀分布，为后续成型过程中具有良好的组织状态和致密度打下基础；本发明原料粉末硅粉的粒度为-325目，Al粉粒度-400目；粉末预处理工艺是将硅粉和铝粉按照比例进行混合球磨，具体工艺为球磨时间4?12h，球磨转速100?200r/min，球料比为5:1?15:1。通过粉末粒度配比和预处理得到了成分均匀、无偏析的SiAl混合粉末；
[0028](3)本发明中硅铝合金的包套结构采用折弯两拼结构，此包套结构既便于包套加工又保证了焊接可靠性;根据硅铝合金的比例，合理选择包套材质；当硅含量彡50wt%时，包套材质选用纯铝包套；当硅含量>50被％时，包套材质选用20#碳钢；
[0029](4)本发明的真空热除气工序是热等静压工艺中的关键步骤，真空热除气温度偏低，吸附性气体无法抽出，会直接影响靶材最终成形和致密度;真空热除气温度过高又会增加能源消耗和生产成本;本发明中真空热除气工艺为最终除气温度300?600°C，最终真空度大于I X 10—3Pa，在此基础上保温30?300min;整个除气过程需用高真空手动挡板阀进行缓慢除气，防止粉末抽出。
[0030](5)本发明的热等静压是一种特殊的粉末烧结方式，在高温高压下，粉末的活性极大的增强，能在比烧结更低的温度下完成材料的致密化过程;热等静压温度是热等静压工艺的核心制度;热等静压温度过低，无法实现硅铝粉末的致密化;热等静压温度过高会导致铝相流动性增加，由于铝液和硅相的润湿性较差，在热等静压致密化时容易产生局部铝偏析，从而造成硅铝合金成分不均和微裂纹产生;根据硅铝合金的成分比例不同，本发明中选择的热等静压的工艺为压制温度400?1100 °C，压力80?150MPa，保温时间I?5h;
[0031](6)与熔铸法相比，本发明的方法可制备高硅含量(Si含量>30wt%)、成分均匀、晶粒细小、性能优良的硅铝合金;与喷射沉积法相比，本发明实现了直接热等静压致密化，缩短了生产流程，降低了生产成本；目前喷射沉积法制备的硅铝合金中Si含量最大为70wt%，而本发明可制备Si含量为95wt%的娃招合金，拓展了娃招合金的应用范围。与热压烧结法相比，本发明可在更低的压制温度下实现硅铝合金的致密化，同时晶粒更加细小，致密度和气密性更加优良，而且热等静压可实现规模化生产，有效降低生产成本，提高生产效率。
[0032](7)本发明提供了一种电子封装用高致密度、高热导率、低热膨胀系数的硅铝合金的制备方法。该方法是以硅粉和铝粉为原料，原料粉末经过混合球磨预处理后装粉入包套，然后真空热除气，在热等静压机中压制成形，随后进行机械加工制成成品。本发明制备的硅铝合金具有以下优点:合金成分比例范围宽，Si含量为10?95wt%，Al为余量;致密度高，相对密度达到99.5%以上、热导率为100?180W/mK，热膨胀系数为5?15X 10—6/K，能够满足航空航天、微电子行业电子封装的要求。
【附图说明】
[0033]图1为本发明的电子封装用硅铝合金的包套结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]—种电子封装用硅铝合金的制备方法，步骤为:
[0035](I)对硅粉和铝粉的混合粉末进行预处理，预处理过程为:将硅粉和铝粉按照比例进行混合球磨，具体工艺为球磨时间4?12h，球磨转速100?200r/min，球料比为5:1?15:1;所述的硅粉的粒度为-325目，Al粉粒度-400目；混合粉末中硅粉的质量含量为10%-95% ；
[0036](2)将步骤(I)中经过预处理后的混合粉末装入包套中；所述的包套的材料为纯铝或20#碳钢，当混合粉末中娃粉的质量含量小于等于50%时，包套选用纯招包套，当混合粉末中娃粉的质量含量大于50%时，包套选用20#碳钢包套；
[0037]如图1所示，所述的包套硅的结构采用折弯两拼结构，该结构为一带有两个凸面的六面体，六面体的四个侧面由两个成“Z”字形且一体成型的板材拼接而成，两个“Z”字形板材分别记为A板材和B板材；
[0038]A板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直；
[0039]B板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直，
[0040]A板材的长的横面构成六面体的一个侧面a，B板材的长的横面构成六面体的一个侧面b，A板材的竖面为六面体的一个侧面c，B板材的竖面为六面体的一个侧面d，A板材的长的横面与B板材短的横面形成六面体的一个凸面m，A板材的短的横面与B板材长的横面形成六面体的另一个凸面η;六面体的上表面由上端盖组成，六面体的下表面由下端盖组成;A板材的长的横面与B板材短的横面进行焊接连接，A板材的短的横面与B板材长的横面进行焊接连接，上表面以及下表面与侧面通过焊接连接。
[0041]所述折弯两拼结构包套的制备方法为:首先将所述包套材质的板料折弯两次制成包套主体，然后将两个包套主体进行拼接，将拼接后的包套主体沿短的折弯处焊接形成一个方形整体结构，最后将上端盖和下端盖与包套主体形成的方形整体结构焊接在一起制成所述包套。
[0042](3)将步骤(2)装有混合粉末的包套进行真空热除气;所述的真空热除气的工艺为最终除气温度300?600°C，最终真空度大于I X 10—3Pa，在此基础上保温30?300min;整个除气过程用高真空手动挡板阀进行缓慢除气，防止粉末抽出；
[0043](4)将步骤(3)真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理，得到压制成形产品，所述的热等静压致密化处理工艺为压制温度400?1100°C，压制压力80?150MPa，保温时间I?5h;
[0044](5)将步骤(4)压制成形产品进行机械加工制成成品。
[0045]以下将通过具体实施例更进一步地描述本发明，但不限于此。
[0046]实施例1
[0047]按照成分比例Si30A170，wt^^#硅粉和铝粉球磨混合，球磨工艺是球磨时间10h，球磨转速120r/min，球料比为8:1。将混合后的粉末装粉进入包套内，包套材料为纯铝，焊接后进行真空热除气。真空热除气工艺为最终除气温度450°C，最终真空度大于I X 10—3Pa,在此基础上保温180min。将真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理。热等静压的工艺参数为:温度500 0C，压力140MPa，保温时间3h。经过测试，硅铝合金的相对密度为99.86%,热导率为165W/mK，热膨胀系数为14X10—VK。
[0048]实施例2
[0049]按照成分比例Si50A150，wt^^#硅粉和铝粉球磨混合，球磨工艺是球磨时间6h，球磨转速160r/min，球料比为6:1。将混合后的粉末装粉进入包套内，包套材料为纯铝，焊接后进行真空热除气。真空热除气工艺为最终除气温度500°C，最终真空度大于I X 10—3Pa,在此基础上保温lOOmin。将真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理。热等静压的工艺参数为:温度6000C，压力120MPa，保温时间2h。经过测试，硅铝合金的相对密度为99.78%，热导率为152W/mK，热膨胀系数为9.7X10—VK。
[0050]实施例3
[0051 ] 按照成分比例Si70A130，wt^^#硅粉和铝粉球磨混合，球磨工艺是球磨时间8h，球磨转速150r/min，球料比为9:1。将混合后的粉末装粉进入包套内，包套材料为20#碳钢，焊接后进行真空热除气。真空热除气工艺为最终除气温度650°C，最终真空度大于I X 10—3Pa，在此基础上保温150min。将真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理。热等静压的工艺参数为:温度800 °C，压力150MPa，保温时间Ih。经过测试，硅铝合金的相对密度为99.69 %，热导率为130W/mK，热膨胀系数为7.2 X 10—6/K。
[0052]实施例4
[0053]按照成分比例519(^110，《丨％将硅粉和铝粉球磨混合，球磨工艺是球磨时间1211，球磨转速180r/min，球料比为12:1。将混合后的粉末装粉进入包套内，包套材料为20#碳钢，焊接后进行真空热除气。真空热除气工艺为最终除气温度750°C，最终真空度大于I X 10—3Pa,在此基础上保温240min。将真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理。热等静压的工艺参数为:温度950 0C，压力90MPa，保温时间1.5h。经过测试，硅铝合金的相对密度为99.63%,热导率为108W/mK，热膨胀系数为6.4 X 10—6/K。
[0054]以上通过实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，并不是用来限定本发明。本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。任何本领域技术人员在不脱离本发明的技术实质范围内，都可以对本发明做出变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术实质，在此基础上所作的任何简单修改和变化均属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于步骤为: (1)对硅粉和铝粉的混合粉末进行预处理； (2)将步骤(I)中经过预处理后的混合粉末装入包套中； (3)将步骤(2)装有混合粉末的包套进行真空热除气； (4)将步骤(3)真空热除气后的包套进行热等静压致密化处理，得到压制成形产品； (5)将步骤(4)压制成形产品进行机械加工制成成品。2.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，预处理过程为:将硅粉和铝粉按照比例进行混合球磨，具体工艺为球磨时间4?1211，球磨转速100?20(^/111丨11，球料比为5:1?15:1。3.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，所述的硅粉的粒度为-325目，Al粉粒度-400目。4.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，混合粉末中硅粉的质量含量为1 % -95 %。5.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，所述的包套的材料为纯铝或20#碳钢。6.根据权利要求5所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:当混合粉末中娃粉的质量含量小于等于50 %时，包套选用纯招包套，当混合粉末中娃粉的质量含量大于50 %时，包套选用20#碳钢包套。7.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，所述的包套硅的结构采用折弯两拼结构，该结构为一带有两个凸面的六面体，六面体的四个侧面由两个成“Z”字形且一体成型的板材拼接而成，两个“Z”字形板材分别记为A板材和B板材； A板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直； B板材包括一个长的横面、一个短的横面和一个竖面，所述的长的横面与竖面垂直，所述的短的横面与竖面垂直， A板材的长的横面构成六面体的一个侧面a，B板材的长的横面构成六面体的一个侧面b，A板材的竖面为六面体的一个侧面c，B板材的竖面为六面体的一个侧面d，A板材的长的横面与B板材短的横面形成六面体的一个凸面m，A板材的短的横面与B板材长的横面形成六面体的另一个凸面η;六面体的上表面由上端盖组成，六面体的下表面由下端盖组成;A板材的长的横面与B板材短的横面进行焊接连接，A板材的短的横面与B板材长的横面进行焊接连接，上表面以及下表面与侧面通过焊接连接。8.根据权利要求7所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述折弯两拼结构包套的制备方法为:首先将所述包套材质的板料折弯两次制成包套主体，然后将两个包套主体进行拼接，将拼接后的包套主体沿短的折弯处焊接形成一个方形整体结构，最后将上端盖和下端盖与包套主体形成的方形整体结构焊接在一起制成所述包套。9.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，所述的真空热除气的工艺为最终除气温度300?600°C，最终真空度大于I X 10—3Pa，在此基础上保温30?300min。10.根据权利要求1所述的一种电子封装用硅铝合金的制备方法，其特征在于:所述的步骤(4)中，所述的热等静压致密化处理工艺为压制温度400?1100°C，压制压力80?150MPa，保温时间I?5h。
【文档编号】C22C30/00GK106086494SQ201610402544
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】崔子振, 谢飞, 石刚, 续秋玉
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院