專(zhuān)利名稱(chēng)：高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁硅電子封裝材料的制備工藝，尤其涉及一種高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
自1958年第一塊半導(dǎo)體集成電路問(wèn)世以來(lái)，到目前為止，IC芯片集成度的發(fā)展基本遵循MOORE定律。芯片集成度的提高必然導(dǎo)致其發(fā)熱率的升高，使得電路的工作溫度不斷上升，從而導(dǎo)致元件失效率的增大。與此同時(shí)，電子封裝也不斷向小型化，輕量化和高密度組裝化的方向發(fā)展，二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，各種高密度封裝技術(shù)，如芯片尺寸封裝(CSP)，多芯片組件(MCM)及單極集成組件(SLIM)等的不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步增大了系統(tǒng)單位體積的發(fā)熱率。為滿(mǎn)足上述IC和封裝技術(shù)的迅速發(fā)展，一方面要求對(duì)封裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；另一方面，為從根本上改進(jìn)產(chǎn)品的性能，全力研究和開(kāi)發(fā)具有低密度低膨脹高熱導(dǎo)及良好綜合性能的新型封裝材料顯得尤為重要。用高硅鋁合金制備的電子封裝材料由于具有質(zhì)量輕(密度小于2.7g·cm-3)、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)性能良好、以及高的強(qiáng)度和剛度，與金、銀、銅、鎳可鍍，與基材可焊，易于精密機(jī)加工、無(wú)毒等優(yōu)越性能，符合電子封裝技術(shù)朝小型化、輕量化、高密度組裝化方向發(fā)展的要求。另外，鋁硅在地球上含量都相當(dāng)豐富，硅粉的制備工藝成熟，成本低廉，所以鋁硅合金材料成為了一種潛在的具有廣闊應(yīng)用前景的電子封裝材料，但由于鋁硅合金當(dāng)硅含量較高時(shí)材料加工成形困難，期待研發(fā)出一種工藝穩(wěn)定，成本較低，材料綜合性能優(yōu)良的制備工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能顯著提高材料的熱導(dǎo)率、氣密性和抗拉強(qiáng)度，保持材料較低的熱膨脹系數(shù)，大幅度改善材料加工成形性能的高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝，使鋁硅電子封裝材料具有優(yōu)良的綜合使用性能。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝步驟是A)、粉末制取將工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6～8.8∶4～1.2制備成Al-Si合金粉末；B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為5～15∶1，球磨時(shí)間為8～32小時(shí)；C)、熱擠壓工藝將氧化后的合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，在300-500噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓，擠壓前對(duì)Al-Si合金粉末采用400～520℃保溫0.5～2小時(shí)，擠壓比為10～21，擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在200～400℃充分預(yù)熱保溫，擠壓完后即為成品。
所述的粉末制取工藝為工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6～8.8∶4～1.2配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至750～1200℃，充分?jǐn)嚢?，?0％NaCl+47％KCl+23％冰晶石為熔劑進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷除氣；金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得Al-Si粉末。
本發(fā)明提出了一種切實(shí)可行的工藝路線(xiàn)，通過(guò)高能球磨產(chǎn)生的機(jī)械活化效應(yīng)來(lái)改善粉末的特性，使鋁硅合金粉末中增強(qiáng)硅粒子明顯細(xì)化，基體與增強(qiáng)顆粒的界面結(jié)合狀態(tài)改善，同時(shí)，粉末處理后反應(yīng)生成的氧化顆粒彌散分布在材料的組織中，提高了材料的綜合性能。是在傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，先對(duì)合金粉末進(jìn)行高能球磨處理，使粉末顆粒明顯細(xì)化，同時(shí)使粉末進(jìn)行充分氧化，再將粉末采用純鋁包套進(jìn)行熱擠壓成材，制備出氧化物彌散強(qiáng)化的鋁硅復(fù)合電子封裝材料。
本發(fā)明先采用粉末高能球磨處理，同時(shí)使粉末進(jìn)行充分氧化，再結(jié)合包套熱擠壓的致密化工藝，制備出了具有優(yōu)良的綜合性能的鋁硅合金電子封裝材料。
熱擠壓后材料的性能指標(biāo)如下氣密性(10-9Pa·m3·s-1)0.2～1.5；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)118.2～168.9；100℃時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)14.8～11.5；抗拉強(qiáng)度(MPa)185～298。
其綜合性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電子封裝材料，完全可滿(mǎn)足電子封裝材料的使用要求。
綜上所述，本發(fā)明是一種能顯著提高材料的熱導(dǎo)率、氣密性和抗拉強(qiáng)度，保持材料較低的熱膨脹系數(shù)，大幅度改善材料加工成形性能的高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝，使鋁硅電子封裝材料具有優(yōu)良的綜合使用性能。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
A)粉末制取工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比8.8∶1.2配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至750℃，充分?jǐn)嚢瑁萌蹌?30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石)進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷(C2Cl6)除氣。金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得所需的Al-12Si合金粉末，其制粉工藝參數(shù)附表1。
表1制粉工藝參數(shù)

B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-12Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為5∶1，球磨時(shí)間為32小時(shí)；C)熱擠壓工藝將球磨后的Al-12Si合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，其密度可達(dá)理論密度的70％，焊合包套，在一端留有一出氣孔。在300噸油壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓。擠壓前對(duì)Al-12Si合金粉末采用400℃保溫0.5小時(shí)，擠壓比為21(擠壓筒內(nèi)徑和擠壓棒直徑分別為60mm和13mm)，擠壓筒采用45#鋼制成，其內(nèi)徑為60mm，擠壓模內(nèi)徑為13mm，擠壓錐角為90°。擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在200充分預(yù)熱保溫，擠壓前在擠壓筒內(nèi)均勻涂敷潤(rùn)滑劑(75％石墨+25％機(jī)油)。擠壓完后即為成品。
D)材料性能氣密性(10-9Pa·m3·s-1)0.2；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)168.9；100℃時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)14.8；抗拉強(qiáng)度(MPa)185。
實(shí)施例2A)粉末制取工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比8∶2配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至900℃，充分?jǐn)嚢瑁萌蹌?30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石)進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷(C2Cl6)除氣。金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得所需的Al-20Si合金粉末，其制粉工藝參數(shù)附表2。
表2制粉工藝參數(shù)

B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-20Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為10∶1，球磨時(shí)間為24小時(shí)；C)熱擠壓工藝將球磨后的Al-20Si合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，其密度可達(dá)理論密度的70％，焊合包套，在一端留有一出氣孔。在350噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓。擠壓前對(duì)Al-20Si合金粉末采用430℃保溫一個(gè)小時(shí)，擠壓比為16(擠壓筒內(nèi)徑和擠壓棒直徑分別為40mm和10mm)，擠壓筒采用45#鋼制成，其內(nèi)徑為40mm，擠壓模內(nèi)徑為10mm，擠壓錐角為90°。擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在250℃充分預(yù)熱保溫，擠壓前在擠壓筒內(nèi)均勻涂敷潤(rùn)滑劑(75％石墨+25％機(jī)油)。擠壓完后即為成品。
D)材料性能氣密性(10-9Pa·m3·s-1)0.3；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)156.5；100時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)13.5；抗拉強(qiáng)度(MPa)245。
實(shí)施例3A)粉末制取工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比7.4∶2.6配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至1050，充分?jǐn)嚢?，用熔?30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石)進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷(C2Cl6)除氣。金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得所需的Al-26Si合金粉末，其制粉工藝參數(shù)附表3。
表3制粉工藝參數(shù)

B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-26Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為10∶1，球磨時(shí)間為24小時(shí)。
C)熱擠壓工藝將球磨后的Al-26Si合金粉末，初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，其密度可達(dá)理論密度的70％，焊合包套，在一端留有一出氣孔。在400噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓。擠壓前對(duì)Al-26Si合金粉末采用460℃保溫一個(gè)小時(shí)，擠壓比為14(擠壓筒內(nèi)徑和擠壓棒直徑分別為40mm和10.7mm)，擠壓筒采用45#鋼制成，其內(nèi)徑為40mm，擠壓模內(nèi)徑為10.7mm，擠壓錐角為90°。擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在300℃充分預(yù)熱保溫，擠壓前在擠壓筒內(nèi)均勻涂敷潤(rùn)滑劑(75％石墨+25％機(jī)油)。擠壓完后即為成品。
D)材料性能氣密性(10-9Pa·m3·s-1)0.2；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)144.4；100時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)12.9；抗拉強(qiáng)度(MPa)285。
實(shí)施例4A)粉末制取工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6.7∶3.3配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至1200，充分?jǐn)嚢?，用熔?30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石)進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷(C2Cl6)除氣。金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得所需的Al-33Si合金粉末，其制粉工藝參數(shù)附表4。
表4制粉工藝參數(shù)

B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-33Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料比為15∶1，球磨時(shí)間為16h；C)熱擠壓工藝將球磨后的Al-33Si合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，其密度可達(dá)理論密度的70％，焊合包套，在一端留有一出氣孔。在450噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓。擠壓前對(duì)Al-33Si合金粉末采用490℃保溫1.5小時(shí)，擠壓比為12(擠壓筒內(nèi)徑和擠壓棒直徑分別為40mm和11.5mm)，擠壓筒采用45#鋼制成，其內(nèi)徑為40mm，擠壓模內(nèi)徑為11.5mm，擠壓錐角為90°。擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在350℃充分預(yù)熱保溫，擠壓前在擠壓筒內(nèi)均勻涂敷潤(rùn)滑劑(75％石墨+25％機(jī)油)。擠壓完后即為成品。
D)材料性能氣密性(10-9Pa·m3·s-1)0.8；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)126.8；100℃時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)12.2；抗拉強(qiáng)度(MPa)298。
實(shí)施例5A)粉末制取工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6∶4配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至1350℃，充分?jǐn)嚢?，用熔?30％NaCl+47％KCl+23％冰晶石)進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷(C2Cl6)除氣。金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得所需的Al-40Si合金粉末，其制粉工藝參數(shù)附表5。
表5制粉工藝參數(shù)

B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-40Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為15∶1，球磨時(shí)間為8小時(shí)；C)熱擠壓工藝將球磨后的Al-40Si合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，其密度可達(dá)理論密度的70％，焊合包套，在一端留有一出氣孔。在500噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓。擠壓前對(duì)Al-40Si合金粉末采用520℃保溫2小時(shí)，擠壓比為10(擠壓筒內(nèi)徑和擠壓棒直徑分別為40mm和16mm)，擠壓筒采用45#鋼制成，其內(nèi)徑為40mm，擠壓模內(nèi)徑為16mm，擠壓錐角為90°。擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在400℃充分預(yù)熱保溫，擠壓前在擠壓筒內(nèi)均勻涂敷潤(rùn)滑劑(75％石墨+25％機(jī)油)。擠壓完后即為成品。
D)材料性能氣密性(10-9Pa·m3·s-1)1.5；熱導(dǎo)率(W·M-1·K-1)118.2；100℃時(shí)的線(xiàn)膨脹系數(shù)(10-6K-1)11.5；抗拉強(qiáng)度(MPa)239。
權(quán)利要求
1.一種高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝，其工藝步驟如下A)、粉末制取將工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6～8.8∶4～1.2制備成Al-Si合金粉末；B)粉末的球磨處理工藝將制備好的Al-Si合金粉末裝入球磨筒內(nèi)進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為5～15∶1，球磨時(shí)間為8～32小時(shí)；C)、熱擠壓工藝將氧化后的合金粉末初裝、振實(shí)裝入純鋁包套內(nèi)，在300～500噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓，擠壓前對(duì)Al-Si合金粉末采用400～520℃保溫0.5～2小時(shí)，擠壓比為10～21，擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在200～400℃充分預(yù)熱保溫，擠壓完后即為成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝，其特征是所述的粉末制取工藝為工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6～8.8∶4～1.2配料在感應(yīng)爐中熔煉，升溫至750～1200℃，充分?jǐn)嚢瑁?0％NaCl+47％KCl+23％冰晶石為熔劑進(jìn)行覆蓋造渣，并用六氯乙烷除氣；金屬液滴經(jīng)漏嘴注入噴霧裝置中，被高壓氮?dú)忪F化后的金屬液珠直接噴入了距離噴嘴約200mm的高壓水流中，經(jīng)冷卻后，含Al-Si合金粉末的水流經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)漏掉雜物流入高速旋轉(zhuǎn)的甩干機(jī)進(jìn)行脫水處理，經(jīng)烘干、過(guò)篩制得Al-Si粉末。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝，A)粉末制取將工業(yè)純鋁及高純硅按質(zhì)量百分比6～8.8∶4～1.2制備成Al－Si合金粉末；B)粉末的球磨處理工藝將Al－Si合金粉末進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為5～15∶1，球磨時(shí)間為8～32小時(shí)；C)熱擠壓工藝將氧化后的合金粉末裝入純鋁包套內(nèi)，在300～500噸液壓機(jī)上采用正向擠壓方式進(jìn)行擠壓，擠壓前對(duì)Al－Si合金粉末采用400～520℃保溫0.5～2小時(shí)，擠壓比為10～21，擠壓前各種擠壓模具首先置入加熱爐中，在200～400℃充分預(yù)熱保溫，擠壓完后即為成品。本發(fā)明是一種能顯著提高材料的熱導(dǎo)率、氣密性和抗拉強(qiáng)度，保持材料較低的熱膨脹系數(shù)，大幅度改善材料加工成形性能的高硅鋁合金電子封裝材料的制備工藝。
文檔編號(hào)B22F9/08GK1877821SQ20061003190
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者楊伏良, 易丹青, 甘衛(wèi)平, 張偉, 劉泓 申請(qǐng)人:中南大學(xué)