CN101713057B

CN101713057B - 一种用于喷射成形Si-Al合金固液两相区热加工成型封装零件的工艺

Info

Publication number: CN101713057B
Application number: CN2009102387588A
Authority: CN
Inventors: 李志辉; 张永安; 熊柏青; 朱宝宏; 刘红伟; 王�锋; 李锡武
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: CN101713057A

Abstract

一种喷射成形(50～80)wt％Si-Al及其微合金化系列合金固液两相区热加工成型封装零件的工艺，属于金属材料加工成型技术及电子封装材料领域。将喷射成形制备好的硅铝合金工件毛坯和模具装配好放在热压炉中进行加热，待加热到固液两相区进行保温压制成型。该工艺的参数如下：温度为680～760℃；压强为50～200MPa，保温、保压时间为5～60min。本发明的优点是将喷射成形锭坯的致密化处理和硅铝合金封装零件的近终成型制造两个工艺过程在一步工艺操作中完成，在有效地消除喷射成形锭坯中组织缺陷、提高产品综合性能的同时，实现了电子封装零件的低成本、短流程、近终成型制造。

Description

一种用于喷射成形Si-Al合金固液两相区热加工成型封装零件的工艺

技术领域

本发明属于金属材料加工成型及电子封装材料领域，特别是提供了一种专门用于低密度、低热膨胀系数、高热导率喷射成形硅铝合金材料固液两相区热加工成型封装零件的工艺方法。

背景技术

电子封装技术是伴随着微电子技术的发展而发展起来的，电子封装的主要作用是为精细电子线路提供机械支撑以及作为导电连接介质，在微电子技术的发展中占有不可或缺的重要地位。电子封装的最基础部分(零级)一般被认为是半导体芯片(集成电路)，其中集成了逻辑门、晶体管和门与门之间的连线，这些均直接集成在芯片上。芯片本身由半导体材料(包括硅或砷化镓)的薄片或晶片制成。热膨胀、散热和轻量化是发展现代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素，只有能够充分兼顾这三项基本要求，并具有合理的封装工艺性能的材料才能适应电子信息工业发展趋势的要求。理想的先进电子封装材料应该具有与砷化镓和硅等典型半导体材料相匹配，或略高的热膨胀系数(＜7～9×10^-6/K)、高的热传导率(＞100W/m.K)和低密度(＜3g/cm³)。

Si-Al合金已被证明是一个综合性能满足先进电子封装要求的材料体系，该材料的开发已经显示了广阔的产业化应用前景。硅铝合金一般是指Si元素含量在50％以上、与Al元素共同构成的假合金材料。由于随着Si含量的变化硅铝合金的热膨胀系数和热导率在一定范围内(7～23ppm/℃、120～180W/mK)连续可调，且硅铝合金比重轻(密度小于3×10³Kg/m³)，因此，硅铝合金是一种可以满足现代封装技术要求的轻质、高热导、低热膨胀系数的合金材料。

含硅量较低的Si-Al合金是可以进行传统铸造成形的，但在所感兴趣的成分范围内(50～80wt％Si)，传统铸造Si-Al合金的铸态显微组织主要由粗大的、孤立的、多面化的和高纵横比的一次Si晶体组成，这将有害于力学性能和可加工性，难以满足电子封装的应用要求。针对传统工艺制备Si-Al合金的不足之处，近年来国内外开展了利用先进的快速凝固/喷射成形技术生产硅含量大于50％的Si-Al合金材料的研究工作，并制备出了硅含量大于50％的Si-Al系列合金，获得了微观组织细小、均匀的硅铝合金沉积坯件。本专利申请人前期针对硅铝合金封装材料开展了大量的研究工作，合金成分及其制备技术已申请了发明专利(一种硅铝合金封装材料及其制备方法，专利号：ZL03119606.3；一种微合金化硅铝合金材料及其制备方法，专利申请号：200810239572.X；一种硅铝合金电子封装材料的液相烧结法，专利申请号：200710303659.4)。

美中不足的是，喷射成形工艺因其工艺本身特性会造成所制备的沉积坯料中有部分尺寸不一的孔洞、疏松等缺陷存在，通常情况下喷射成形Si-Al合金沉积坯件的致密度约为95％左右，因此，该材料在加工成型为最终封装零件之前需采用热压或热等静压工艺进行致密化处理，以进一步提高材料的相对致密度，其热压时间为数小时，工艺周期较长，且对设备能力要求较高。在获得致密度较高材料后，还需对工件毛坯进行数控机加工才能获得可用的电子封装零件。而通常微电子和微波器件所要求的封装材料往往尺寸较小，但是数量较大，因此，采用常规的先热压致密化后成型加工零件的工艺路线不可避免地会存在周期长、效率低的问题，并且也会存在毛坯料利用率低、热压过程对设备能力要求较高等问题。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足之处，提供一种利用固液两相区热加工成型制备硅铝合金封装零件的工艺，该工艺将喷射成形制备好的工件毛坯和模具一同置于热压炉中将硅铝合金快速加热至固液两相区后进行热压制成型，克服了常规工艺需要先热压致密化处理后进行加工成型封装零件时存在的加工路线长、材料利用率低、生产成本高等一系列问题，在有效地消除喷射成形锭坯中组织缺陷、提高产品综合性能的同时，实现了电子封装零件的短流程、近终成型制造。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于喷射成形硅铝合金固液两相区热加工成型制备封装零件的工艺，其工艺过程如下：将喷射成形制备好的硅铝合金的工件毛坯装入模具中，将硅铝合金的工件毛坯连同模具一同置于热压炉中，并在热压炉中加热升温至硅铝合金的固液两相区后进行封装零件固液两相区热压制成型，以同步实现硅铝合金的材料的致密化处理及封装零件的近终成型制造。

本发明采取的具体工艺步骤如下：

(1)根据零件形状尺寸，设计制造专用压制模具；

(2)将喷射成形制备好的硅铝合金沉积坯件加工成相应的硅铝合金的工件毛坯，并将其装入模具中；

(3)将装配好的模具与硅铝合金的工件一起置于高温热压炉中进行加热升温，采用精密热电偶控温，并专门装有热电偶监控模具及工件的实际温度；

(4)在硅铝合金的工件的升温及随后的保温过程中，对其施加恒定压力，压强的大小通过热压机的压力控制系统实现动态调整和监控；

(5)待硅铝合金的工件达到固液两相区温度时进行保温、保压；

(6)工件脱模；

(7)后续零件精加工。

在本发明的方法的步骤(2)中，所用的硅铝合金的工件毛坯来自喷射成形工艺制备的硅铝合金的沉积坯件，喷射成形硅铝合金材料成分为(Si)_a(Al)_bX_c，其中，a+b+c＝100(重量百分比)，50≤a≤80，19≤b≤50，0≤c≤1，X表示可添加的微合金化Mn、Mg、Zr元素中的一种或几种，其单个元素含量重量百分比不超过0.5％。

在本发明的方法的步骤(4)中，施加恒定压力的压强大小50～200MPa。

在本发明的方法的步骤(5)中，喷射成形硅铝合金锭坯的固液两相区温度为680～760℃，保压时间为5～60min。

本发明与现有技术相比所具备的优点：

本发明利用固液两相区热加工成型制备硅铝合金封装零件，在封装零件实现近终成型的过程中有效地消除了喷射成形工艺所带来的疏松和孔洞等缺陷，提高了材料的综合性能，克服了常规工艺需要先热压致密化处理后进行加工成型封装零件时存在的加工路线长、材料利用率低、生产成本高等一系列问题，拓展了喷射成形硅铝合金材料后续加工成型封装零件的制造途径，是一种专用于与喷射成形技术相结合来制备新型轻质、散热、低膨胀的高性能硅铝合金电子封装零件的有效工艺。使用该工艺方法，不但可以实现新一代快速凝固喷射成形硅铝合金电子封装零件的短流程、近终成型制造，而且可以有效地解决喷射成形工艺在合金中所遗留的组织缺陷，提高产品的使用性能。

附图说明

图1为采用不同后续加工工艺所获得的喷射成形60wt％Si-Al合金封装零件微观组织图。

图1中：a喷射成形坯件的微观组织图；b经热压致密化和机加工工艺处理过的合金封装零件微观组织图；c经热等静压和机加工工艺处理过的合金封装零件微观组织图；d经本发明的固液两相区加工工艺处理过的合金封装零件微观组织图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的内容做进一步说明。

对比例1

将喷射成形制备好的60wt％Si-Al合金沉积坯件机加工车皮，60wt％Si-Al合金沉积坯件的微观组织图照片如图1a所示，将扒皮的沉积坯件圆柱形毛坯件装入模具中，在热压烧结炉中进行致密化处理，热压温度为570℃，压强为250MPa，保压时间为3h；随后，根据零件形状尺寸要求，采用数控机加工制备相应的封装零件。本对比例的60wt％Si-Al合金封装零件(经热压致密化和机加工的工艺制成)微观组织图如图1b所示。

对比例2

将喷射成形制备好的70wt％Si-Al合金沉积坯件机加工车皮，将扒皮的沉积坯件圆柱形毛坯件装入模具中，在热等静压炉中进行致密化处理，压强为180～250MPa，温度选择在570℃，热压时间为3h；随后，根据零件形状尺寸要求，采用数控机加工制备相应的封装零件。

对比例3

除制备60wt％Si-Al合金沉积坯件之外，其余均和对比例2相同。对比例3的60wt％Si-Al合金封装零件(经热等静压和机加工的工艺制成)微观组织图如图1c所示。

实施例1

根据模具尺寸要求，将喷射成形制备好的60wt％Si-Al合金(该合金的含量为：60wt％的Si和40wt％的Al)沉积坯件加工成相应的工件毛坯，60wt％Si-Al合金沉积坯件的微观组织图照片如图1a所示，并将毛坯件装入模具中；将装配好的模具与工件一起置于高温热压炉中进行加热升温至720℃，在加热过程中对模具施加恒定压力，压强的大小为120MPa，保温、保压30min，将装有工件的模具从炉中取出进行空冷，待冷却后进行工件脱模及后续零件精加工成可用的封装零件。本实施例的60wt％Si-Al合金封装零件(经固液两相区加工的工艺制成)微观组织图如图1d所示。

实施例2

根据模具尺寸要求，将喷射成形制备好的60wt％Si-0.2wt％Mg-0.35wt％Mn-Al合金(该合金的含量为：60wt％的Si、0.2wt％的Mg、0.35wt％的Mn和39.45wt％的Al)沉积坯件加工成相应的工件毛坯，并将毛坯件装入模具中；将装配好的模具与工件一起置于高温热压炉中进行加热升温至695℃，在加热过程中对模具施加恒定压力，压强的大小为150MPa，保温、保压25min，将装有工件的模具从炉中取出进行空冷，待冷却后进行工件脱模及后续零件精加工成可用的封装零件。

实施例3

根据模具尺寸要求，将喷射成形制备好的70wt％Si-0.45wt％Mg-0.15wt％Mn-0.22wt％Zr-Al(该合金的含量为：70wt％的Si、0.45wt％的Mg、0.15wt％的Mn、0.22wt％Zr和29.18wt％的Al)合金沉积坯件加工成相应的工件毛坯，并将毛坯件装入模具中；将装配好的模具与工件一起置于高温热压炉中进行加热升温至745℃，在加热过程中对模具施加恒定压力，压强的大小为90MPa，保温、保压45min，将装有工件的模具从炉中取出进行空冷，待冷却后进行工件脱模及后续零件精加工成可用的封装零件。

图1为采用不同后续加工工艺所获得的喷射成形60wt％Si-Al合金封装零件微观组织对比图。从图1a中可以看出，喷射成形硅铝合金沉积坯件中有明显疏松、气孔等喷射成形工艺所带来的本征组织缺陷，通常沉积坯件的致密度只有95％～97％左右，因此在材料的使用前必须通过热变形加工使材料致密化。常规的致密化处理方法有热压致密化、热等静压等工艺，图1b和c分别为喷射成形硅铝合金沉积坯件经合适的热压致密化和热等静压致密化处理后的典型组织照片，可以看出，当选择合理的热压或热等静压工艺时，材料中的微观组织缺陷可以基本消除，密度测试结果也表明，经合适致密化处理后的材料相对致密度可达到99％以上。图1d为采用本发明方法所制备零件的微观组织图，可以看出，组织缺陷已基本消除，密度测试结果表明，材料的致密度达到99％以上，与传统致密化工艺所获得材料的致密度基本相当。

表1是各种加工方法所制备硅铝合金封装零件的性能结果对比。可以看出，本发明利用固液两相区热加工成型制备硅铝合金封装零件一种低密度、低热膨胀系数、高热导率的合金材料，可以达到现代电子封装材料对热膨胀、散热和轻量化等三个方面的最基本要求；与传统热压致密化+数控机加工工艺路线所制备零件相比，本发明在封装零件实现近终成型的过程中有效地消除了喷射成形工艺所带来的疏松和孔洞等缺陷，所获得材料的致密度及综合性能亦有所提高，大大地缩短了零件的制备周期并大幅度提高了毛坯件的利用率。使用本发明工艺方法，不但可以实现新一代快速凝固喷射成形硅铝合金电子封装零件的短流程、近终成型制造，而且可以有效地解决喷射成形工艺在合金中所遗留的组织缺陷，提高产品的使用性能，此工艺拓展了喷射成形硅铝合金材料后续加工成型封装零件的制造途径。

表1各种加工方法所制备硅铝合金封装零件的性能对比

	密度(×10³kg/m³)	热膨胀系数(×10^-6K^-1)	热导率(W/m·K)	抗弯强度(MPa)	硬度(HB)	周期	毛坯件的材料利用率(％)
								对比例1	2.469	7.70	120	200	157	长	50～60
对比例2	2430	6.90	109	170	232	长	50～60
								实施例1	2.463	7.60	118	204	153	短	≥85
实施例2	2.490	7.48	122	225	165	短	≥85
								实施例3	2.435	6.80	113	215	263	短	≥85

Claims

1.一种用于喷射成形硅铝合金固液两相区热加工成型制备封装零件的工艺，其特征在于，将喷射成形制备好的硅铝合金的工件毛坯装入模具中，将硅铝合金的工件毛坯连同模具一同置于热压炉中，并在热压炉中加热升温至硅铝合金的固液两相区后进行封装零件固液两相区热压制成型，以同步实现硅铝合金的材料的致密化处理及封装零件的近终成型制造；其中，所述的封装零件固液两相区热压制成型过程中所施加的压强为50～200MPa；所述的封装零件固液两相区热压制成型的温度范围为680～760℃，热压制时间为5～60min；所述的硅铝合金的成分为(Si)_a(Al)_bX_c，其中，a wt％+b wt％+c wt％＝100wt％，50≤a≤80，19≤b≤50，0≤c≤1，X表示添加的微合金化Mn、Mg和Zr元素中的一种或几种，其单个元素的含量重量百分比不超过0.5％。

2.如权利要求1所述的用于喷射成形硅铝合金固液两相区热加工成型制备封装零件的工艺，其特征在于，所用的硅铝合金的工件毛坯来自喷射成形工艺制备的硅铝合金的沉积坯件。