本发明属于粉末冶金工艺生产硅铝合金电子封装材料
技术领域：
，特别是提供了一种以铝硅合金粉为基体的电子封装材料及其制备技术。
背景技术：
：由于集成电路的集成度迅猛增加，导致芯片发热量急剧上升，使得芯片寿命下降。据报道，温度每升高10℃，因GaAs或Si半导体芯片寿命的缩短而产生的失效就为原来的3倍。其原因是因为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引起的热应力造成的。解决该问题的关键是进行合理的封装。电子封装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料，最早用于封装的材料是陶瓷和金属，随着电路密度和功能的不断提高，对封装技术提出了更多更高的要求，同时也促进了封装材料的发展。超高硅含量的硅铝合金电子封装材料(含硅量在50wt.％～80wt.％)其热膨胀系数、导热率、密度(＜2.5g/cm3)等物理性能与用作芯片的Si、GaAs等半导体材料很接近，因而在电子封装材料领域具有广阔的应用前景。为了满足电子封装材料较小的热膨胀系数、大热导率的要求，必须使硅相均匀分布并且被Al基体包覆。但是，在传统的母合金熔配工艺条件下，由于硅的含量很高，初晶Si相变得异常粗大，偏析也极为严重，初晶硅相表现为粗大、尖锐的板条状，致使材料的物理性能、力学性能变差，如热膨胀系数随温度的变化显著，导热率显著下降等，使材料无法作为封装材料使用。由于硅铝复合电子封装材料硅含量过高，难以采用铸造的方式生产，目前，多数国家采用粉末冶金的方法制备，其基本的过程为：1.制粉；2.预压成型；3.液相烧结或热等静压；4.热处理。由于硅和铝的界面润湿性差加之铝表面致密的氧化膜，使得传统的粉末冶金烧结过程难以进行，最终制备的材料性能不高；而采用热等静压技术又由于设备的制造难度和成本而大大提高了材料生产的成本，不利于产品的市场化。技术实现要素：本发明的目的在于利用水雾化铝硅粉代替铝粉，并加入锡粉改善传统的粉末冶金制备工艺中的烧结过程，并结合铝合金活化烧结技术和热挤压技术制备导热率、抗拉强度等均高于普通硅铝复合电子封装材料。本发明提供一种硅铝合金电子封装材料，包括以下组分，各组分的重量表示如下：水雾化铝硅合金粉50％～60％；硅粉39～49.5％；锡粉0.5％～1％。其中，所述水雾化铝硅合金粉中的硅含量为20％～30％。其中，所述水雾化铝硅合金粉中的硅含量为25％。其中，所述水雾化铝硅合金粉的粒径为20～24um。其中，包括以下步骤：1S：将各组分按预定比例倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度为540℃～580℃，在氮气保护下进行保温，保温时长为5-7h；5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径为40-180mm的烧结体棒材；6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为370℃～420℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火。其中，所述步骤4S中的烧结温度为540℃～575℃。其中，所述步骤4S中的升温速度具体为(1)100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；(2)300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；(3)400～580℃之间，升温速度0～1℃/min。其中，所述步骤4S中的氮气的纯度为99～99.9％。其中，所述步骤7S中，当外界温度为低于15℃，在100℃的水中淬火。本发明的硅铝合金电子封装材料，包括水雾化铝硅合金粉，可以促进烧结过程，含量较高可以促进烧结，如果铝硅合金粉含量过高，又会造成最终成品中的硅含量不满足电子封装材料对硅含量的要求，所以其含量为50％～60％，该粒径的水雾化铝硅粉具有制备相对容易，价格相对合理，制成的成品性能好等优点。水雾化铝硅合金粉中的硅含量为20％～30％。硅均匀分布于铝基体粉末中，其粒径为20～24um。硅粉的含量为39～49.5％，硅粉采用纯硅粉，其作用是补充水雾化铝粉中硅含量的不足。镁粉的含量为0.4％～1％，镁粉可以与硅形成强化相，提升合金的性能。锡粉的含量为0.5％～1％，锡粉选用纯锡粉，少量的锡由于锡的熔点低，可以与许多金属无限互溶，从而产生液相烧结，从而提高烧结致密度并改善合金性能，由于锡本身性能差，大量的加入反而会降低合金的性能。本发明的硅铝合金电子封装材料的制备方法，主要包括：1S：将各组分按预定比例倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压为在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，使得液体的压力可以均匀的通过包套磨具传递给压制的粉末，使粉末在各个方向上都受到同等压力，从而提高压制密度和成品性能的一种方式，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；过低的压力会造成粉末无法成型，过高的压力又会导致冷等静压机的价格高昂。4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度为540℃～580℃，优选的，烧结温度为540℃～575℃，铝硅的共晶温度为575℃，如果高于该温度烧结则会造成大量液相流出，致使材料内部空心。在氮气保护下进行保温；保温时长为5-7h。5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径为40-180mm的烧结体棒材；温度太高时从炉内取出会造成材料冷却速度过快，容易发生开裂等现象。6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；挤压速度根据挤压温度适当调整。根据实验结果所得，在该工艺参数下材料力学性能最好。7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为370℃～420℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火；根据实验结果所得，在该工艺参数下材料力学性能最好。当外界温度低于15℃，在100℃的水中淬火，防止内应力过大造成开裂。升温速度具体为(1)100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；(2)300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；(3)400～580℃之间，升温速度0～1℃/min。温度越高，对烧结的影响越大，加之PID温控仪升温速度越慢，在升温过程中温度控制越精确，为了保证烧结质量，当温度较高时应减慢升温速度。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、利用铝硅分布均匀的水雾化铝硅合金粉代替纯铝粉，改善了当硅含量过高时，铝和硅在材料中的分布并降低了烧结温度；2、在硅铝合金电子封装材料中加入锡，改善了铝和硅的界面结合，使得硅颗粒和铝基体结合更加紧密；3、采用铝合金活化烧结技术和液相烧结技术，大大提高了硅铝合金电子封装材料的烧结致密度，从而提高硅铝合金电子封装材料的综合性能。4、在传统的硅铝复合电子封装材料生产过程中加入热挤压，进一步提高了硅铝复合电子封装材料的性能；5、该方法生产硅铝合金电子封装材料的连续性好，适宜大规模、大批量生产。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本发明的硅铝合金电子封装材料，包括以下组分，各组分的重量表示如下：水雾化铝硅合金粉50％～60％；硅粉39～49.5％；锡粉0.5％～1％。其中，水雾化铝硅合金粉的粒径为20～24um，其硅含量为20％～30％，优选的，为25％。本发明的硅铝合金电子封装材料的制备方法包括以下步骤：1S：将50％～60％硅含量为20％～30％的水雾化铝硅合金粉、39～49.5％硅粉、0.5％～1％纯锡粉倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度为540℃～575℃，100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；400～575℃之间，升温速度0～1℃/min。在氮气保护下进行保温，保温时长为5-7h；5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径为40-180mm的烧结体棒材；6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为370℃～420℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火。下面列出本发明硅铝合金电子封装材料及其制备方法的具体实施例：实施例1：制备直径为10mm的硅铝复合电子封装材料棒材：1.50％硅含量为25％的铝硅合金粉、49％的纯硅粉、1％的纯锡粉倒入器皿盘中搅拌，备用；2.将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，保持球料比为3:1，混合20小时后取出；3.将混合均匀后的粉末装入直径为66mm的包套中冷等静压，冷等静压的压力为180Mpa，并保压10分钟，之后从包套中取出压坯；4.将压坯放入气氛烧结炉中，烧结温度为575℃，在氮气保护气氛烧结，在100～300℃，加热速度5℃/min，300～400℃，加热速度2.5℃/min，400℃～575℃，加热速度1℃/min，保温5小时；5.冷却至300℃以下取出；将烧结体去表皮，并加工至直径40mm的烧结体棒材；6.将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压模具的挤压比为16:1，挤压温度为425℃，挤压速度为5mm/s，挤压过的棒材直径为10mm。7.将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为400℃，保温7小时，并在100℃的水中淬火。实施例2制备直径为40mm的硅铝复合电子封装材料棒材：1.50％硅含量为25％的铝硅合金粉、49％的纯硅粉、1％的纯锡粉倒入器皿盘中简单搅拌，备用；2.将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，保持球料比为3:1，混合20小时后取出；3.将混合均匀后的粉末装入直径为200mm的包套中冷等静压，冷等静压的压力为180Mpa，并保压10分钟，之后从包套中取出压坯；4.将压坯放入气氛烧结炉中，烧结温度为575℃，在氮气保护气氛烧结，在100～300℃，加热速度5℃/min，300～400℃，加热速度2.5℃/min，400℃～575℃，加热速度1℃/min，并保温10小时。5.冷却至300℃以下取出；将烧结体去表皮，并加工至直径160mm的烧结体棒材；6.将加工过的棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压模具的挤压比为16:1，挤压温度为425℃，挤压速度为5mm/s，挤压过的棒材直径为40mm。7.将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为400℃，保温7小时，并在100℃的水中淬火。本发明的硅铝合金电子封装材料的各组分重量也可用表1所示。表1制备方法中的工艺参数可以是表2中的所示数据。表2测试例表3是实施例1-3的硅铝复合材料的部分实验性能参数。表3方案抗拉强度(Mpa)热导率(W/(m·K))热膨胀系数(K-1)实施例1182Mpa142.87.0x10-6实施例2186Mpa144.66.8x10-6由表3可以看出：较常用的Al-40Si与Al-60Si热封装材料相比，本方法所制备的热封装材料抗拉强度提高了11％，导热率提高了5％，热膨胀系数下降了近6％，取得了不错的效果。综上，本发明的硅铝合金电子封装材料，与传统硅铝合金电子封装材料相比，加入水雾化铝硅合金粉和纯锡粉，大大降低了液相烧结的温度，提高了烧结致密度，同时采用铝合金活化烧结技术，提高了电子封装材料的强度。相较于传统的硅铝合金电子封装材料，通过粉末冶金方法制备的硅铝合金电子封装材料具有导热率高，热膨胀系数小，稳定性好，且机械性能好。最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 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