CN101092672A - 超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物及制备产品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物及制备产品的方法。由碳化硅粗粉，碳化硅微粉，金属硅元素，金属铝元素，金属镁元素组成。制备产品的方法：称量碳化硅粗粉和碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成封装基板和外壳，具有热膨胀系数与硅芯片更匹配，热导率高，强度大，密度小，成本低，可靠性高的特点，增强界面结合强度，减少材料孔隙，提高力学性能。广泛用于微电子封装、功率电子封装、微波封装、光电子封装。

Description

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物及制备产品的方法

技术领域

本发明涉及电子封装材料，特别适用超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物及制备产品的方法。

背景技术

硅芯片的热膨胀系数只有4×10^-6/K，随着芯片集成度的不断提高，要求电子封装材料具有高热导率和低的热膨胀系数，传统的封装材料难以满足这些要求。第一代封装材料金属铝和铜的热膨胀系数高达17×10^-6/K以上，可伐合金和铁镍合金的热导率只有17W/mK；第二代封装材料钨铜的密度太大，而且热膨胀系数只有7×10^-6/K；第三代封装材料铝碳化硅的热导率比可伐高十倍，但目前国内外铝碳化硅的热膨胀系数高于7×10^-6/K。为了提高芯片的可靠性，需要热导率高、热膨胀系数更小的超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种热膨胀系数为5～7×10^-6/K，热导率为150～170W/mK，强度大，刚度好，密度小，成本低，可靠性高的超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物。

本发明的另一发明目的是提供制备产品的方法。

实现发明目的技术方案是这样解决的：超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物，其突出的进步在于按质量比：由绿碳化硅粗粉48～55％，绿碳化硅微粉20～25％，金属硅元素5～10％，金属铝元素15～19％，金属镁元素0.5～3.0％组成。

一种权利要求1、2所述的超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量碳化硅粗粉和碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，可加工成不同形状及尺寸的封装基板和外壳，无须加工或少量加工后即可成为产品，其产品在20℃～150℃的热膨胀系数为：5～7×10^-6/K。

本发明与现有技术相比，热膨胀系数与硅芯片更匹配，热导率高，强度大，刚度好，密度小，成本低，可靠性高。以大粒度的绿碳化硅粉为主材，提高了材料的致密度和综合性能；使绿碳化硅粗粉与绿碳化硅微粉的粒度比大于10，有效增加了碳化硅的含量，降低了材料的热膨胀系数，提高了刚度；在合金液中加入高含量的金属硅元素，进一步降低了材料的热膨胀系数，并减小了材料的密度；在合金液中加入少量金属镁元素，增强了多孔碳化硅与合金液的界面结合强度，减少了材料中的孔隙，提高了材料的力学性能。采用本发明超低热膨胀铝碳化硅电子封装材料制造封装基板和外壳，其热膨胀系数只是第一代封装材料金属铝和铜的1/3，比第二代封装材料钨铜和第三代封装材料铝碳化硅的低40％～60％；这些封装零件的热导率比第一代封装材料可伐合金高10倍，密度只是第二代封装材料钨铜的1/5；用这种超低热膨胀铝碳化硅电子封装材料代替传统的第一代封装材料，其热循环寿命提高10倍，代替第二封装材料，密度大大降低，可靠性明显提高。其20℃～150℃的热膨胀系数为：5～7×10^-6/K。这种材料可以广泛用于微电子封装、功率电子封装、微波封装、光电子封装等领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物，由碳化硅粗粉48～55％，碳化硅微粉20～25％，金属硅元素5～10％，金属铝元素15～19％，金属镁元素0.5～3.0％组成。

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量碳化硅粗粉和碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，可加工成不同形状及尺寸的封装基板和外壳，无须加工或少量加工后即可成为产品，其产品在20℃～150℃的热膨胀系数为：5～7×10^-6/K。

碳化硅粗粉与碳化硅微粉都是绿色碳化硅。

对原材料的化学成分要求如下：

材料名称    指标

碳化硅粗粉    SiC≥98％

碳化硅微粉    SiC≥97％

金属铝        Al≥99.7％

金属硅        Si≥99.9％

金属镁    Mg≥99.9％

粒度范围

材料粒度范围：碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

实施例1

绿碳化硅粗粉50％，绿碳化硅微粉25％，金属硅元素5％，金属铝元素19％，金属镁元素1.0％。所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量绿碳化硅粗粉和绿碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力一般不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，可加工成不同形状及尺寸的封装基板和外壳，无须加工或少量加工后即可成为产品，其产品在20℃～150℃的热膨胀系数为：5～7×10^-6/K。

实施例2

绿碳化硅粗粉52％，绿碳化硅微粉23％，金属硅元素7.5％，金属铝元素17％，金属镁元素0.5％。所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量绿碳化硅粗粉和绿碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，封装基板和外壳无须加工或少量加工后即可投入使用，其20℃～150℃的热膨胀系数为：其热膨胀系数为：6×10^-6/K。

实施例3

绿碳化硅粗粉55％，绿碳化硅微粉21％，金属硅元素10％，金属铝元素13％，金属镁元素1％。所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量绿碳化硅粗粉和绿碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力一般不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，封装基板和外壳无须加工或少量加工后即可投入使用，其20℃～150℃的热膨胀系数为：5×10^-6/K。

实施例4

绿碳化硅粗粉51％，绿碳化硅微粉22％，金属硅元素8％，金属铝元素18％，金属镁元素1％。所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。制备产品的方法同实施例1

实施例5

绿碳化硅粗粉54％，绿碳化硅微粉20％，金属硅元素9％，金属铝元素16％，金属镁元素1％。所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。制备产品的方法同实施例2

综上所述，本发明烧结温度低，热膨胀系数小，加工方便，制作工艺简便，碳化硅粗粉和碳化硅微粉可以是绿色，也可以是其他颜色，也就是说本发明所述碳化硅粗粉和碳化硅微粉不限于实施例中所说的绿碳化硅粗粉和绿碳化硅微粉，其他颜色也可以使用。

Claims (3)

1、一种超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物，其特征在于按质量比：由绿碳化硅粗粉48～55％，绿碳化硅微粉20～25％，金属硅元素5～10％，金属铝元素15～19％，金属镁元素0.5～3.0％组成，所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

2、根据权利要求1所述的超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳材料组合物，其特征在于按质量比：由绿碳化硅粗粉50～52％，绿碳化硅微粉23～25％，金属硅元素7～8％，金属铝元素16～18％，金属镁元素1.0～1.5％组成，所述绿碳化硅粗粉的粒径范围为D₅₀≥150μm，所述绿碳化硅微粉的粒径范围为D₅₀≤15μm。

3、一种权利要求1、2所述的超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板或外壳材料复合物制备产品的方法，按下述步骤进行：

a、按配比要求准确称量碳化硅粗粉和碳化硅微粉，倒入球磨机中干混8小时；

b、采用凝胶注模、热压铸、流延或干压法成型，经干燥和高温烧结后制出多孔碳化硅预制型，烧结温度不超过1300℃；

c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在压力或无压下使液态合金浸渗入多孔碳化硅预制型，凝固后形成超低热膨胀铝碳化硅电子封装基板和外壳，压力不大于30MPa，无压时需要氮气保护；

d、依据图纸要求，可加工成不同形状及尺寸的封装基板和外壳，无须加工或少量加工后即可成为产品，其产品在20℃～150℃的热膨胀系数为：5～7×10^-6/K。