一种芯片集成单元的制备方法
【专利摘要】一种芯片集成单元的制备方法，包括：1.采用搅拌法制备复合材料浆料并将其加热；2.将型芯摆放在铸型内，和铸型一起预热后安装在离心铸造机上；3.开启离心铸造机并进行浇注，浇注完毕后，开启电磁场发生器，进行毛坯成形，成形完毕后，关闭离心铸造机与电磁场发生器，取出铸件并切割，形成电子封装零件毛坯；4.将单个零件毛坯切开并去除芯型，然后进行机械加工获得电子封装零件；5.将电子芯片装入封装零件，同时将数据线从引线孔引出，然后将两个矩形电子封装零件装配在一起形成芯片集成单元。使用本方法制得的增强颗粒无颗粒团出现，颗料分布均匀，无夹渣气孔。从而制得的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
【专利说明】 一种芯片集成单元的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种芯片集成单元的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着信息技术的高速发展，电子器件中的芯片集成度越来越高，功率越来越大，对封装材料的散热性要求也越来越高。目前，工程实践中广泛应用的W-Cu合金为第二代电子封装材料。采用W-Cu合金制备电子封装零件，工艺成熟，线膨胀系数(5.9 — 10X10_6K)低，和半导体芯片匹配性较好。但是，其导热系数(150— 220W/mK)较低，散热能力差，不适合大功率电子设备的应用；并且，其密度(15-17g/cm3)大，在一些对密度敏感的领域很难得到应用，比如航空航天、便携式电子仪器等领域。除此之外，W和Cu自身的价格高，导致后续加工和应用成本偏高。自上世纪90年代以来，伴随着各种高密度封装技术的出现，研究发展电子器件封装用的高导热、低膨胀、低密度金属基复合材料零件与成形技术就成为该领域的热点。
[0003]在对众多电子封装用的金属基复合材料研究中，SiC颗粒增强的铝基复合材料以其优良的性能成为最有望替代W-Cu合金的第三代电子封装材料。SiC颗粒增强的铝复合材料具有密度低(密度:2.8—3.lg/cm3)、导热性好(导热系数240—480W/mK)、热稳定性高(线膨胀系数:6 — 15X10_6K)等特点。已见报道的采用SiC颗粒增强铝复合材料制备电子封装零件的技术，主要有粉末冶金法、预制坯法、液态浸渗法、离心铸造法等。其中，离心铸造法制备工艺最为简单，并适合大规模生产，成本低。
[0004]采用离心铸造法制备SiC颗粒增强的铝基复合材料电子封装零件，其原理是利用SiC与铝液的密度差，通过离心力的作用将密度大于铝液的颗粒偏聚到电子封装零件的毛坯型腔中，形成高体积分数的颗粒增强复合材料零件。采用该方法，可以SiC颗粒体积分数可以达到40% — 75%，并且，可以根据需要，通过合理配置复合材料浆料和控制离心转速方便的对颗粒的体积分数进行设计与控制。在离心成形的同时，密度小于铝液的夹渣和气泡会相与颗粒运动相反的方向偏聚，从而确保了材料的洁净。但是，该方法也有一严重不足之处，就是SiC颗粒的团聚现象。颗粒团的存在，减小了颗粒与铝基体的接触面积，从而降低了其导热性与热稳定性。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供一种芯片集成单元的制备方法，该方法制得的封装零件导热性良好、密度低、热稳定性高。
[0006]本发明的矩形电子封装零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0007]步骤I，采用搅拌法制备复合材料浆料并将复合材料浆料加热；
[0008]步骤2，将型芯摆放在铸型内，并和铸型一起预热后安装在离心铸造机上；
[0009]步骤3，开启离心铸造机并进行浇注，浇注完毕后，开启电磁场发生器产生磁场，进行毛坯成形，成形完毕后，关闭离心铸造机与电磁场发生器，取出铸件并切割，形成电子封装零件毛坯；
[0010]步骤4，将单个零件毛坯切开并去除芯型，然后进行机械加工获得两个具有引线孔的矩形电子封装零件；
[0011]步骤5，将电子芯片装入封装零件，同时将数据线从引线孔引出，然后将两个矩形电子封装零件装配在一起形成芯片集成单元。
[0012]进一步，所述步骤I中复合材料浆料选用Al-Si系合金为基体合金，增强颗粒为SiC颗粒。
[0013]进一步,所述SiC颗粒的粒径在5—80 μ m之间。
[0014]进一步，所述SiC颗粒的体积分数为复合材料浆料的20%_40%。
[0015]进一步，所述步骤3中磁场的方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行。
[0016]进一步,所述磁场的强度为0.01?0.5T。
[0017]进一步，所述铸型由不导磁材料构成。
[0018]进一步，所述铸型的预热温度为300_450°C。
[0019]进一步，所述复合材料浆料加热的温度为680_780°C。
[0020]进一步,所述步骤3中离心铸造机的转速为1000_4000r/min。
[0021]本发明的有益效果在于:本发明中，复合材料浆料在电磁离心复合场中，由于铸型与已凝固的铝复合材料均为非导磁性材料，因此它不受电磁力的影响，仍以设定速度旋转。而熔体切割磁力线时，会受到反向于铸型旋转方向的电磁力，导致熔体的旋转速度低于铸型。在这种受力情况下，当凝固前沿从外层向内层移动的过程中，就会受到熔体的反复冲刷，从而将处于凝固前沿处的颗粒团打散，并使之均匀分布于外层。使用本方法制得的增强颗粒无颗粒团出现，颗料分布均匀，无夹渣与气孔。从而制得的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；
[0023]图1为离心铸造成形SiC颗粒增强铝复合材料电子封装零件过程中颗粒团的形成示意图；
[0024]图2为电磁离心铸造成形SiC颗粒增强铝复合材料电子封装零件的铸型结构图；
[0025]图3为型芯摆放示意图；
[0026]图4为电磁离心铸造成形过程中颗粒团的细化原理图；
[0027]图5为电磁离心铸造成形后单个电子封装零件毛坯图；
[0028]图6为电磁离心铸造成形后单个电子封装零件毛坯B-B面剖视图；
[0029]图7为机械加工后半边芯片集成单兀结构图(王视图)；
[0030]图8为机械加工后半边芯片集成单元结构图(俯视图)。
[0031]其中颗粒团1，凝固部分2，颗粒3，夹渣、气泡4，铸型5，型腔6，型芯7，装配孔8，引线孔9A4表不电磁力方向A3表不铸型旋转方向BI表不电磁场方向
【具体实施方式】
[0032]以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。[0033]图1揭示了离心成形原理而导致的团聚现象(图中的箭头代表各自的运动方向)。颗粒3运动至外层后，受凝固部分2前沿所限，其运动速度会越来越小，并最终停留在外层某一位置，而此时后续的颗粒仍在向外层聚集，因此，随外层颗粒体积分数的提高，必然会出现颗粒的团聚，形成颗粒团I。
[0034]图2所示，铸型包括上模、下模、型芯和定位销构成。外力保证增强颗粒能够在毛坯零件型腔中聚集，型芯放置于型腔外层。
[0035]图3为型芯在型腔中的分布。从图3可以看出，在实际生产中，可以根据需要，合理设计毛坯型腔的个数，来提高生产效率。铸型材料为非导磁性材料，可以选用不锈钢、铜合金、石墨等材质。
[0036]图4为电磁离心铸造成形过程中颗粒团的细化原理图(图中的箭头代表各自的运动方向)。它的成形原理与单一离心铸造成形相一致，即密度大于铝液的SiC相外部型腔6，密度小于铝液的夹渣、气泡4向内部型腔。与单一离心铸造成形不同之处是，电磁离心成形可以有效细化颗粒团。如图4所示，在电磁离心复合场中，由于铸型5与已凝固的铝复合材料均为非导磁性材料，因此它不受电磁力的影响，仍以设定速度旋转。而熔体切割磁力线时，会受到反向于铸型旋转方向A3的电磁力，导致熔体的旋转速度低于铸型。在这种受力情况下，当凝固前沿从外层向内层移动的过程中，就会受到熔体的反复冲刷，从而将处于凝固前沿处的颗粒团打散，并使之均匀分布于外层。
[0037]实施例1:
[0038]原料:SiC颗粒粒径为60-80 μ m，基体为Al-Si系合金，SiC颗粒的体积分数为20%。
[0039]步骤1，首先采用搅拌法制备复合材料浆料，并加热到680— 700°C待用。
[0040]步骤2，将型芯准确摆放在铸型内，并和铸型一起预热至300°C后安装在离心铸造机上。
[0041]步骤3，开启离心铸造机，在低速下浇注，浇注完毕后，将离心转速调至设定的lOOOr/min，同时开启电磁场发生器，进行毛坯成形，成形完毕后，关闭离心铸造机与磁场发生器，取出铸件并将铸件沿图3中所示的虚线切割，就形成如图5和6所示的单个矩形电子封装零件毛还。本实施例中电磁场强度为0.01T,电磁场有两种施加方式,第一种，电磁场平行于铸型的轴心，如图2所不(其中BI表不电磁场的方向)，电磁场方向可以与图不相同，也可以相反；第二种，电磁场垂直于铸型轴心，如图2所示，电磁场方向可以与图示相同，也可以相反。两种施加方式均可确保熔体在旋转过程中切割磁力线，产生电磁力。
[0042]步骤4，将单个毛坯零件沿B-B面切开(图5和6所示)，并去除型芯7，然后进行机械加工就形成如图7和8所示的电子封装零件。其中，图7展示的半边封装零件的主视图，图8展示的是封装零件的俯视图。由于该矩形电子封装零件的两个半边零件完全对称，因此，另外半边零件就不在赘述。
[0043]步骤5，将电子芯片装入封装零件，同时将数据线从引线孔9引出，然后，通过四个装配孔8将两个半边零件装配在起就形成一个芯片集成单元。
[0044]在本实施例中，增强颗粒的体积分数约为40%。无颗粒团出现，颗粒分布均匀，无夹渣与气孔。且最后形成的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
[0045]实施例2:[0046]与其它实施例相比，本实施例的区别在于，SiC颗粒粒径为40-60 μ m, SiC颗粒的体积分数为25%，复合材料浆料的加热温度为700— 720°C，铸型预热的温度为350°C，离心铸造机的转速为1500r/min,磁场强度为0.1T。
[0047]在本实施例中，增强颗粒的体积分数约为50%。无颗粒团出现，颗粒分布均匀，无夹渣与气孔。且最后形成的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
[0048]实施例3
[0049]与其它实施例相比，本实施例的区别在于，SiC颗粒粒径为20-40 μ m, SiC颗粒的体积分数为30%，复合材料浆料的加热温度为720— 740°C，铸型预热的温度为400°C，离心铸造机的转速为2000r/min，磁场强度为0.3T。
[0050]在本实施例中，增强颗粒的体积分数约为60%。无颗粒团出现，颗粒分布均匀，无夹渣与气孔。且最后形成的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
[0051]实施例4
[0052]与其它实施例相比，本实施例的区别在于，SiC颗粒粒径为10-20 μ m, SiC颗粒的体积分数为35%，复合材料浆料的加热温度为740— 760°C，铸型预热的温度为400°C，离心铸造机的转速为3000r/min，磁场强度为0.5T。
[0053]在本实施例中，增强颗粒的体积分数约为70%。无颗粒团出现，颗粒分布均匀，无夹渣与气孔。且最后形成的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
[0054]实施例5
[0055]与其它实施例相比，本实施例的区别在于，SiC颗粒粒径为5-10 μ m, SiC颗粒的体积分数为40%，复合材料浆料的加热温度为760— 780°C，铸型预热的温度为450°C，离心铸造机的转速为4000r/min,磁场强度为0.1T。
[0056]在本实施例中，增强颗粒的体积分数约为80%。无颗粒团出现，颗粒分布均匀，无夹渣与气孔。且最后形成的芯片集成单元具有导热性良好、密度低、热稳定性高等特点。
[0057]在实际生产中，可以根据实际需要对离心铸造颗粒增强复合材料的工艺参数(如磁场和离心转速的大小及与时间关系，复合材料浆料的加热温度、铸型预热温度等)、原材料种类及含量进行各种各样的调整。例如，通过调整复合材料基体及增强颗粒的种类、t匕例及离心成型工艺，可以制备其他种类的颗粒增强梯度复合材料，并可以实现增强层呈骤变梯度分布、增强层厚度的可控设计；通过调整基体及增强颗粒的成分、离心铸造工艺或采取后续变质处理工艺，在复合材料浆料制备过程中，根据需要，可添加一定的微量合金元素(Cu、T1、N1、Mn等)，用以提高基体合金的强度。
[0058]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，上述实施例着重分析了离心力和磁场随时间变化以及磁场加载时间对产品性能的影响，但这并不排除其他离心力和磁场的加载方式，相关人员可以根据需要作出种种变化。
【权利要求】
1.一种芯片集成单元的制备方法，其特征在于:具体包括以下步骤: 步骤I，采用搅拌法制备复合材料浆料并将复合材料浆料加热； 步骤2，将型芯摆放在铸型内，并和铸型一起预热后安装在离心铸造机上； 步骤3，开启离心铸造机并进行浇注，浇注完毕后，开启电磁场发生器产生电磁场，进行毛坯成形，成形完毕后，关闭离心铸造机与电磁场发生器，取出铸件并切割，形成电子封装零件毛坯； 步骤4，将单个零件毛坯切开并去除芯型，然后进行机械加工获得两个具有引线孔的矩形电子封装零件； 步骤5，将电子芯片装入封装零件，同时将数据线从引线孔引出，然后将两个矩形电子封装零件装配在一起形成芯片集成单元。
2.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述步骤I中复合材料浆料选用Al-Si系合金为基体合金，增强颗粒为SiC颗粒。
3.如权利要求2所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述SiC颗粒的粒径在5 — 80 μ m之间。
4.如权利要求2或3所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述SiC颗粒的体积分数为复合材料浆料的20%-40%。
5.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述步骤3中磁场的方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行。
6.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述电磁场的强度为0.01 ?0.5T。
7.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述铸型由不导磁材料构成。
8.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述铸型的预热温度为 300-450 °C。
9.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述复合材料浆料加热的温度为680-780°C。
10.如权利要求1所述的芯片集成单元的制备方法，其特征在于:所述步骤3中离心铸造机的转速为1000-4000r/min。
【文档编号】B22D27/02GK103433450SQ201310389285
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】翟彦博, 郑应彬, 马永昌, 马秀腾, 刘军 申请人:西南大学