CN101436573A - 一种电子封装器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子封装器件及其制备方法，其特征在于：所述电子封装器件具有复合式结构，包括一个主体和一个或多个预埋体。本发明制备的电子封装器，其性能具有可设计性，通过调节主体与预埋体获得不同性能，在大功率器件封装、半导体照明(LED)及军事领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电子封装器件制备技术领域，特别是提供了一种用粉末注射成形/压力熔浸技术制备高致密、高导热、低膨胀系数、具有复合式结构的复杂形状电子封装器件及其制备方法。
背景技术
因应电子封装密度与发热密度的持续增加，散热封装用电子封装材料及器件除了需具备良好的热导率，以迅速将电子元件产生的热传导出去，还需具有与半导体元件及封装基板材料相匹配的热膨胀系数，以避免电子元件或锡焊因热应力而产生失效。另外，根据芯片位置及发热大小有针对性的设计散热封装器件以实现主动散热的封装结构将是未来封装器件的关键技术。
目前，电子封装材料主要有塑封装材料、陶瓷封装材料和金属封装材料等。塑料封装在电子封装材料中的用量最大、发展最快，它是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的重要封装材料，但在某些高气密性、环境恶劣、需耐高温的场合，塑料封装仍需进一步开发高品质新型树脂材料以满足需求；陶瓷封装属气密性封装，这种封装的优点是：(1)耐湿性好，不易产生微裂现象；(2)热冲击实验和温度循环实验后不产生损伤，机械强度高；(3)热膨胀系数小，热导率高；(4)气密性好，芯片和电路不受周围环境影响。因而它适用于航空、航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。目前，陶瓷封装虽然在整个封装行业里所占的比例不大，却是性能比较完善的封装方式。在要求高密封的场合，只能选用陶瓷封装。而金属封装如Al、Cu及合金虽在某些场合还在使用，但由于热膨胀系数及密度等要求，单纯的金属封装已不能满足高性能封装要求。
混合集成电路技术的飞速发展对封装材料提出了更新、更高的要求，使传统封装材料面临挑战。
一般认为今后电子封装复合材料主要向四个方向发展：MMC(金属基复合材料)、PMC(树脂基复合材料)、CMC(陶瓷基复合材料)、CCCs(碳/碳复合材料)。因为先进的复合材料比传统的封装材料具有明显的优势：高的热导率(可以达到铜热导率的3倍以上)；低的可调热膨胀系数；具有复合式结构的主动散热设计，实现高效快速散热；重量减轻到原来的85％；体积是原来的65％；高的强度及硬度；稳定性提高并减少热应力；生产成本不断下降等。
经文献和专利查新检索，目前还没有具有复合式结构的复杂封装器件被报道或被研究应用。现有的电子封装器件主要采用纯金属(Cu、Al等)、合金(Wo/Cu、Mo/Cu、Kovar等)、金属基复合材料(SiC/Al、SiC/Cu等)等。Cu和Al虽然热导率较高，但热膨胀系数大；Wo/Cu、Mo/Cu密度较高，不适应目前电子设备轻量化的要求；金属基复合材料因其热膨胀系数的可设计性成为近年来电子封装材料研究的热点，但其热导率最高不过200-300W/mk，随着电子器件发热量增大，采用均质金属基复合材料制备的封装壳体(单一结构)已经不能满足局部独立元件的散热需求。因此开发一种能同时满足高导热、低膨胀、高强度、复杂封装壳体一次近净成形、具有复合式结构以实现元件主动高效散热等性能要求的复杂封装器件及其制备方法就成为该技术领域的当务之急。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够同时满足高导热、低膨胀、高强度、复杂封装壳体一次近净成形、具有复合式结构以实现元件主动高效散热等性能要求的复杂封装器件。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种电子封装器件，其特征在于：所述电子封装器件具有复合式结构，包括一个主体和一个或多个预埋体。
一种优选技术方案，其特征在于所述主体为金属基复合材料；所述预埋体选自高导热材料CVD金刚石或高定向热解石墨(TPG)、高导热碳纤维编制体中的一种或两种。
一种优选技术方案，其特征在于：所述金属基复合材料的结构为高体积分数(50％-75％)颗粒增强体/金属基复合材料；所述颗粒增强体为SiC、AlN或Al2O3中的一种或多种，颗粒粒径为7～40μm；所述金属基体为Al、Mg、Cu、Ag或其合金中的一种。
本发明的另一目的是提供一种上述电子封装器件的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种电子封装器件的制备方法，其步骤如下：
(1)将粘结剂与增强体颗粒按体积比(45-25)：(55-75)混炼均匀；
(2)将混炼后的坯料球磨制粒，采用注射成形，得到预留有预埋体位置的预制件，
(3)经脱脂预烧结后得到增强体骨架；
(4)将预埋体嵌入脱脂后预制件对应预留位置；装入特制模具，将金属基体置于骨架上方，待加热到金属熔化后加压，将熔融金属在压力作用下熔渗入骨架孔隙中及预埋体缝隙中，形成致密的金属基复合材料，同时将预埋体与复合材料主体焊合为一整体；
(5)脱模后即得具有复合式结构的电子封装器件。
一种优选技术方案，其特征在于：所述粘结剂的各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝(5～7)：(5～3)：(1～2)。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤为：
a、先用搅拌机将增强体颗粒和粘结剂搅拌混合；
b、将双辊筒炼塑机转辊加热到150～170℃；
c、调节两辊间距离至1～2mm，将增强体和粘结剂的混合粉末沿辊间中线撒入两辊之间，让双辊筒炼塑机转辊挤压混炼；
d、调节两辊间的距离至2～3mm，将混合物混合15～30分钟，铲下混合物；
e、调节两辊间的距离至3～4mm，将混合物混合15～30分钟，铲下混合物，混料完毕；
f、为了使粘结剂与增强体颗粒能混合均匀，必须重复混合2～5次。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(2)中所述注射成形的工艺条件为：注射压力155～190MPa，注射温度155～185℃、注射速度50～60％。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(3)中所述脱脂工艺条件为：有机溶剂脱脂10～20小时，然后惰性气体保护下进行热脱脂，先以2～4℃/min的升温速率加热到250～350℃时保温20～30分钟，再以4～6℃/min的升温速率升温到400～500℃时保温20～30分钟，最后以6～8℃/min的速率升温到预定烧结温度1000～1200℃时保温20～30min。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(4)中所述熔浸工艺条件为：在特制模具中，将金属置于骨架上方，加热到700～1300℃时，对金属熔体施加10～20MPa的压力，保压10～30s。
本发明的优点在于：
1、本发明的电子封装器件的整体导热率为200-400W/m-K、预埋高导热材料部位热导率(800W/mk~1350W/mk)、密度为2.9~6.7g/cm3(视金属基体不同，密度不同)、热膨胀系数为7.2~9.0×10-6/K，具有良好的热物理性能和力学性能，实现结构-功能一体化；
2、本发明将电子封装器件中复合式结构，即在器件热量集中的部位预埋高导热材料，实现分立元件的主动高效散热，快速实现系统热均衡；
3.本发明的制备方法能够实现电子封装器件的近净成形，解决了困扰高体积分数金属基复合材料难加工的问题，产品的尺寸精度高、成本低；
4.具有复合式结构的复杂封装器件的性能具有可设计性，通过改变主体种类、预埋体种类及排布方式，可获得不同的性能。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1挤压连续式混炼示意图。
具体实施方式
实施例1：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝7：2.5：1.5，粒径为14μm的SiC颗粒与上述粘结剂的体积比为60：40。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机按图1所示流程进行挤压混炼，混炼温度150℃，混炼时间30min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为155MPa，注射温度160℃、注射速度为50％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂15小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到250℃时保温20分钟，以一定升温速率升温到400℃时保温20分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1000℃时保温20分钟；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的SiC骨架。将设计好的高导热预埋体CVD金刚石嵌入预留对应位置，然后将上述制备的SiC骨架放入特制的模具中，纯铝置于SiC骨架上方，加热到700℃时，对铝熔体施加10MPa的压力，保压20s后，脱出膜腔，即制得了近净成形、具有复合式结构的SiCp(60％)/Al电子封装零件。所得器件SiCp/Al部分导热率为180W/m-K、预埋CVD金刚石部位热导率为1158W/mk，器件整体密度为2.9g/cm3、热膨胀系数为7.8×10-6/K。
实施例2：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝6：3：2，粒径为28μm的SiC颗粒与上述粘结剂的体积比为65：35。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度150℃，混炼时间30min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为165MPa，注射温度160℃、注射速度为50％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂18小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到250℃时保温20分钟，以一定升温速率升温到400℃时保温20分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1000℃时保温20min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的SiC骨架。将设计好的高导热预埋体TPG(高定向热解石墨)金刚石嵌入预留对应位置，然后将上述制备的SiC骨架放入特制的模具中，纯铝置于SiC骨架上方，加热到760℃时，对铝熔体施加8MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形、具有复合式结构的SiCp(65％)/Al电子封装零件。所得零件SiCp/Al部分导热率为185W/m-K、预埋TPG的部位热导率为1260W/mk，密度为3.0g/cm3、热膨胀系数为7.3×10-6/K。
实施例3：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝7：3：1，粒径为20μm的SiC颗粒与上述粘结剂的体积比为70：30。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度160℃，混炼时间45min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为175MPa，注射温度180℃、注射速度为55％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂20小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到300℃时保温30分钟，以一定升温速率升温到400℃时保30分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1100℃时保温45min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的SiC骨架。将设计好的高导热预埋体TPG(高定向热解石墨)金刚石嵌入预留对应位置，然后将上述制备的SiC骨架放入特制的模具中，纯Cu置于SiC骨架上方，加热到1250℃时，对Cu熔体施加15MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形的、具有复合式结构的SiCp(70％)/Cu电子封装零件。所得零件SiCp/Cu部分导热率为260W/m-K、预埋TPG的部位热导率为1305W/mk，密度为4.89g/cm3、热膨胀系数为7.2×10-6/K。
实施例4：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝6：3：1，粒径为20μm的SiC颗粒与上述粘结剂的体积比为70：30。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度160℃，混炼时间45min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为175MPa，注射温度180℃、注射速度为55％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂20小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到300℃时保温30分钟，以一定升温速率升温到400℃时保30分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1100℃时保温45min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的SiC骨架。将采用P300碳纤维编制好的预埋体嵌入预留对应位置，然后将上述制备的SiC骨架放入特制的模具中，纯Mg置于SiC骨架上方，加热到700℃时，对Mg熔体施加15MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形的、具有复合式结构的SiCp(70％)/Mg电子封装零件。所得零件SiCp/Mg部分导热率为150W/m-K、预埋P300碳纤维编制体部位热导率为268W/mk，器件整体密度为2.70g/cm3、热膨胀系数为7.2×10-6/K。
实施例5：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝7：3：2，粒径为25μm的AlN颗粒与上述粘结剂的体积比为50：50。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度160℃，混炼时间45min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为175MPa，注射温度180℃、注射速度为55％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂24小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到300℃时保温30分钟，以一定升温速率升温到400℃时保30分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1050℃时保温45min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的AlN骨架。将设计好的高导热预埋体CVD金刚石嵌入预留对应位置，然后将上述制备的AlN骨架放入特制的模具中，纯Mg置于SiC骨架上方，加热到700℃时，对Mg熔体施加15MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形的、具有复合式结构的AlN(50％)/Mg电子封装零件。所得零件AlN/Mg部分导热率为150W/m-K、预埋CVD金刚石的部位热导率为1150W/mk，器件整体密度为2.48g/cm3、热膨胀系数为7.2×106/K。
实施例6：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝7：2：1，粒径为25μm的Al2O3颗粒与上述粘结剂的体积比为60：40。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度170℃，混炼时间45min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为165MPa，注射温度170℃、注射速度为55％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂20小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到300℃时保温30分钟，以一定升温速率升温到400℃时保30分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1150℃时保温45min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的Al2O3骨架。将设计好的高导热预埋体CVD金刚石嵌入预留对应位置，然后将上述制备的Al2O3骨架放入特制的模具中，纯Al置于SiC骨架上方，加热到700℃时，对Al熔体施加15MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形的、具有复合式结构的Al2O3(60％)/Al电子封装零件。所得零件Al2O3/Al部分导热率为150W/m-K、预埋CVD金刚石的部位热导率为1100W/mk，器件整体密度为3.40g/cm3、热膨胀系数为8.1×10-6/K。
实施例7：
原料：粘结剂各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝7：3：2，粒径为20μm的SiC颗粒与上述粘结剂的体积比为70：30。
取上述配比的原料粉4Kg，用双辊筒炼塑机挤压混炼，混炼温度160℃，混炼时间45min，混炼均匀后用球磨机研磨成细小颗粒粉末，再将混合粉末用注塑机注射成形为所要求的零件形状，注射压力为175MPa，注射温度180℃、注射速度为55％。所得坯件先在有机溶剂中脱脂20小时，然后进行热脱脂，热脱脂工艺为：以一定升温速率加热到300℃时保温30分钟，以一定升温速率升温到400℃时保30分钟，最后以一定速率升温到预定烧结温度1200℃时保温45min；这样就制得了具有足够的强度和适当的孔隙度的SiC骨架。将编制好的高导热碳纤维K1100预埋体嵌入预留对应位置，然后将上述制备的SiC骨架放入特制的模具中，纯Ag置于SiC骨架上方，加热到1100℃时，对Ag熔体施加10MPa的压力，保压10～30s后，脱出膜腔，即制得了近净成形的、具有复合式结构的SiCp(70％)/Ag电子封装零件。所得零件SiCp/Ag部分导热率为410W/m-K、预埋K1100编制体部位热导率为1020W/mk，器件整体密度为5.30g/cm3、热膨胀系数为8.6×10-6/K。
Claims (9)
1、一种电子封装器件，其特征在于：所述电子封装器件具有复合式结构，包括一个主体和一个或多个预埋体。
2、根据权利要求1所述的电子封装器件，其特征在于所述主体为金属基复合材料；所述预埋体选自高导热材料CVD金刚石或高定向热解石墨(TPG)、高导热碳纤维编制体中的一种或两种。
3、根据权利要求2所述的电子封装器件，其特征在于：所述金属基复合材料的结构为高体积分数(50％-75％)颗粒增强体/金属基复合材料；所述颗粒增强体为SiC、AlN或Al2O3中的一种或多种，颗粒粒径为7～40μm；所述金属基体为Al、Mg、Cu、Ag或其合金中的一种。
4、根据权利要求1所述的电子封装器件的制备方法，其步骤如下：
(1)将粘结剂与增强体颗粒按体积比(45-25)：(55-75)混炼均匀；
(2)将混炼后的坯料球磨制粒，采用注射成形，得到预留有预埋体位置的预制件，
(3)经脱脂预烧结后得到增强体骨架；
(4)将预埋体嵌入脱脂后预制件对应预留位置；装入特制模具，将金属基体置于骨架上方，待加热到金属熔化后加压，将熔融金属在压力作用下熔渗入骨架孔隙中及预埋体缝隙中，形成致密的金属基复合材料，同时将预埋体与复合材料主体焊合为一整体；
(5)脱模后即得具有复合式结构的电子封装器件。
5、根据权利要求4所述的电子封装器件的制备方法，其特征在于：所述粘结剂的各成分质量比为：石蜡：聚乙烯：硬脂酸＝(5～7)：(5～3)：(1～2)。
6、根据权利要求4所述的电子封装器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤为：
a、先用搅拌机将增强体颗粒和粘结剂搅拌混合；
b、将双辊筒炼塑机转辊加热到150～170℃；
c、调节两辊间距离至1～2mm，将增强体和粘结剂的混合粉末沿辊间中线撒入两辊之间，让双辊筒炼塑机转辊挤压混炼；
d、调节两辊间的距离至2～3mm，将混合物混合15～30分钟，铲下混合物；
e、调节两辊间的距离至3～4mm，将混合物混合15～30分钟，铲下混合物，混料完毕；
f、为了使粘结剂与增强体颗粒能混合均匀，必须重复混合2～5次。
7、根据权利要求4所述的电子封装器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述注射成形的工艺条件为：注射压力155～190MPa，注射温度155～185℃、注射速度50～60％。
8、根据权利要求4所述的电子封装器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述脱脂工艺条件为：有机溶剂脱脂10～20小时，然后惰性气体保护下进行热脱脂，先以2～4℃/min的升温速率加热到250～350℃时保温20～30分钟，再以4～6℃/min的升温速率升温到400～500℃时保温20～30分钟，最后以6～8℃/min的速率升温到预定烧结温度1000～1200℃时保温20～30min。
9、根据权利要求4所述的电子封装器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述熔浸工艺条件为：在特制模具中，将金属置于骨架上方，加热到700～1300℃时，对金属熔体施加10～20MPa的压力，保压10～30s。
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