专利名称：一种低膨胀高导热的硅铝合金的制作方法
技术领域：
本发明属于合金材料制备领域，具体地说就是提供一种新型的硅铝合金，其具有低膨胀，高导热，低比重，易加工和低成本的性能，以适应大规模集成电路的电子封装等对高性能热沉材料的迫切要求。
近年来，在微电子工业中，随着大规模集成电路技术的快速发展，IC芯片的集成度和封装密度成倍提高，由此引起半导体芯片的发热问题日渐突出，尤其是新一代的半导体材料GaAs，温度升高后，工作性能急剧退化，(温度每升高10℃，元件平均寿命降低1/3左右)。
目前集成电路芯片采用的封装材料是电子塑料及Al2O3陶瓷材料等，但是这些材料的导热性太差，已远远不适应要求，采用高热导率新材料是当今电子封装技术的一个关键，为了减少由温度变化引起的焊点热应力，避免可能产生的蠕变，疲劳和断裂，要求封装材料的热膨胀系数(CTE)尽可能与半导体芯片材料相匹配，(SiCTE 4.1×10-6/K，GaAsCTE 5.8×10-6/K)，此外理想的电子封装材料还要求长期的化学稳定性，无毒，比重小，一定的机械强度和可加工性(如机械切削、电镀、连接等)以及成本低廉，易于制造等多种综合技术经济指标。
目前IC芯片电子封装基板的主流热沉材料为氧化铝陶瓷，它因具有原料易得、无毒、热膨胀系数小、化学性能稳定、价格较低等优点而被广泛使用，但由于热导率太低(TC 20W/mK)，已无法适应新一代IC芯片的需求。正在研制的热沉材料中，金属铝表面阳极氧化后可作为热沉材料，其热导率可达230W/mK(D.Mu et al J.Mater.Sci.Mater.Electronics，11，2000，239)，它的主要缺点是热膨胀系数太高(CTE23.6×10-6/K)因此封接应力大，半导体元件易于损坏，低膨胀合金如Kovar热膨胀系数较小(5.8×10-6/K)，但热导率也很低(TC17W/mK)，比现有的氧化铝陶瓷还小。氧化铍陶瓷同时具有高导热，低膨胀的优点(TC 260W/mK，CTE 7.2×10-6/K)，但毒性很大，大量使用会造成严重的环境污染。氮化铝(胡向洋等，半导体技术，25(5)，2000，29)具有很好的综合性能(250W/mK，CTE4.5×10-6/K)，但必须解决表面电镀性能差，机械加工性不好和成本高等缺点。高熔点金属W，Mo及其复合材料W-Cu，Mo-Cu(Y.J.Zhang et al，Mater，Sci，Tech 15(11)，1999，337)也具有低膨胀高导热的综合性能，(WCTE 4.45×10-6/K，TC 168W/mK；MoCTE5×10-6/K，TC 140W/mK；W/10Cu CTE6.5×10-6/K，TC 209W/mK；Mo/10CuCTE7×10-6/K，TC180W/mK)，这些主流纯金属或金属基复合材料存在的主要缺点是资源短缺，材料比重太大，且成本很高。SiC/Al复合材料(J.C.Kim，dt al，J.Adv.Mater.31(4)，1999，37)是一种正在研制的低膨胀高导热材料，这种材料主要缺点是可加工性不好，成本很高，不能用普通刀具进行机械切削加工，总之目前尚无一种理想的材料可以满足现代电子封装技术对热沉材料提出的综合性能指标。
本发明的目的在于提供一种低膨胀高导热材料——硅铝合金，其具有低热膨胀系数，高的热导率，没有毒性，较低的材料成本，并且易于加工，可以广泛地用于大规模集成电路的封装或其它需求这种材料的场合。
本发明提供了一种低膨胀高导热的硅铝合金，其特征在于合金配方成份范围如下，重量百分比硅 50-80％
铝及不可避免的杂质 余量。
本发明低膨胀高导热的硅铝合金中，还可以添加第三组元0.01-1％，第三组元选自硼、铬、钛、钒、铁、锰、镍、磷、碳中的一种或多种。
本发明提供的硅铝合金可以选择一种常规的制造工艺进行合金的制备，这些工艺包括熔炼铸造法，粉末冶金法以及喷射成形法等。
在本发明中，硅是合金基本成分，它具有热膨胀系数低(CTE4.1×10-6/K)，热导率高(TC150W/mK)的特点，同时具有比重轻、化学性质稳定、适中的硬度、以及成本低廉、资源丰富等一系列的优点。硅的主要缺点是熔点很高(1410℃)，材料脆性大，因而制备困难，同时其机械加工性也相对较低，这些缺点，可用Al来补足。
本发明中铝的主要作用有三条，第一作为一种高导热、高膨胀的材料，它可以作为第二相通过加入比例的不同调整合金的热膨胀系数，而不降低合金的导热率。根据多相体复合材料热膨胀的基本理论Tumer方程，α＝(∑αiWiKi/ρi)/(∑WiKi/ρi)，式中α，αi分别为合金或i相的热膨胀系数，Wi，Ki，ρi分别为i相的重量百分比，体积弹性模量和密度，代入硅、铝的有关数据，可以算得当Al的含量在50-20％范围时，合金的热膨胀系数应在6～11×10-6/K之间，因此可以根据不同的热膨胀系数要求，反求合金中铝的含量。Al的第二种作用是改善合金的制备性能，使之可方便地在低温下进行加工制造，因而可以大幅度的降低制造成本。Al-Si是二元共晶合金，共晶温度仅为550℃，铝本身的熔点也很低，纯铝熔点仅660℃，大大低于纯Si的熔点，在Si中加入适量Al后，可大大降低合金本身的熔点，这一效应无论对于合金的熔化铸造，还是粉末冶金工艺路线均有重要的意义，它可以允许选择低的加热温度进行熔炼或粉末烧结，这样不但可以大大节省相关设备投资，也可大幅度提高相关材料如坩埚，模具等的使用寿命，同时还可减小产品中热应力，提高产品内在质量。Al的第三种有利作用是作为塑性的晶粒粘接剂，在合金的显微组织中弥散分布于细小的硅晶粒之间，起连接和缓冲的作用，在外应力作用下，塑性较好的铝，可首先发生微观的滑移，形变，改变裂纹的盟生位置和生长走向，最终提高材料的断裂韧性，并改善合金的可机械加工性能。
本发明中第三组元是指硼、铬、铁、钛、钒、镍、锰、磷和碳，这些组元可以是单独一种添加，或多种复合添加，其作用是进一步改善合金的熔炼或烧结工艺性，抑制晶粒长大，获得均匀细小的晶粒组织，以及减小合金脆性，改善合金的综合力学性能，最终达到用低成本技术制造高性能材料的目的。
本发明技术上的优点是显而易见的1、材料的热膨胀系数在6×10-6/K和11×10-6/K范围内连续可调，这样可以根据封装匹配材料的不同，精确设计所需的合金配方，使两者的热膨胀系数完全匹配，达到零应力封装的目标。
2、在保证低膨胀匹配的条件下，具有高导热率的效果，热导率大于100W/mK，以满足IC芯片高强度散热的需要。
3、合金比重低(2.0-2.5g/cm3)、强度高、比刚度大，在满足散热功能的提前下，可达到体积小、重量轻的效果，后者不仅适应于现代电子产品的发展方向，而且也适用于航空电子及空间飞行器等现代航空航天工业的迫切需要。
4、合金制备工艺简单，可用常规工艺进行生产，这些工艺包括粉末冶金法、熔化铸造法、喷射成型法等，此外还有原料丰富、价格低廉、适合于大批量生产等一系列显著优点。
下面详述本发明的具体实施例附
图1为实施例2合金x光衍射图谱；实施例1配制70％Si(重量百分比，下同)，其余为Al的合金成分，原料均为粉料，原始粒度为100目(粒子尺寸≤150μm)，将混合粉末先在球磨机中球磨2小时，球磨机腔内充Ar保护，以防原料氧化，原料经球磨充分混合均匀后，将混合好粉末原料装入钢模中先冷预压成型，然后将冷压坯置于石墨模具内进行热压烧结，烧结温度700℃，压力5kg/mm2，保温时间为30分钟，然后炉冷至室温。热压烧结后获得硅铝合金质地致密，显微组织中晶粒细小，且分布均匀，合金的热导率为120W/mK，热膨胀系数6.5×10-6/K，且机械加工性能良好，可用高速钢刀具进行车削和钻孔，也可用常规的方法进行表面机械抛光和表面镀银。
实施例2配制50％Si，0.3％Fe，0.02％Cr，其余为Al的合金，原料均为粉料，球磨及冷压成型工艺与实施例1相同，冷压坯在真空条件下进行无压烧结，烧结温度650℃，保温时间为1小时，炉冷后获得了致密合金，合金中硅晶粒细小，铝则均匀分布在硅晶粒之间，x光衍射图谱(图1)揭示，在硅铝合金中，硅铝之间各自以单相存在，互不反应与溶解。样品的热导率为140W/mK，热膨胀系数6.5×10-6/K，可用普通高速钢刀具进行机械切削加工。
比较例配制85％Si，其余为Al的合金，采用如实施例1相同的球磨、压型及热压烧结工艺进行制备，未能获得成功，烧结样品内部疏松，强度较低，这是由于粘接相Al的量太少的缘故。
权利要求
1.一种低膨胀高导热的硅铝合金，其特征在于合金配方成份范围如下，重量百分比硅50～80％铝及不可避免的杂质 余量。
2.按照权利要求1所述低膨胀高导热的硅铝合金，其特征在于添加第三组元0.01-1％，第三组元选自硼、铬、钛、钒、铁、锰、镍、磷、碳中的一种或多种组合。
全文摘要
一种低膨胀高导热的硅铝合金，其基本的化学配方为，重量百分比硅50％－80％，铝及不可避免的杂质余量；还可以添加第三组元，选自硼、铬、铁、钛、钒、镍、锰、磷中的一种或多种组合，加入量0.01－1.0％，这种硅铝合金可以用常规的热加工工艺制备，合金的热膨胀系数连续可调，其变化范围为6－12×10
文档编号C22C29/00GK1393572SQ0111412
公开日2003年1月29日 申请日期2001年6月22日 优先权日2001年6月22日
发明者冼爱平, 闵家源 申请人:中国科学院金属研究所