CN101973144A

CN101973144A - 可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101973144A
Application number: CN 201010282331
Authority: CN
Inventors: 白书欣; 万红; 熊德赣; 李顺; 赵恂; 陈柯; 张虹
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN101973144B

Abstract

本发明公开了一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法，该复合材料具有层状结构，由铝硅合金层和铝碳化硅层组成；铝硅合金层中硅的体积百分含量在30~60%之间，铝的体积百分含量在40~70%之间；铝碳化硅层中碳化硅的体积百分含量在30~70%之间，铝的体积百分含量在30~70%之间；铝硅合金层和铝碳化硅层中的铝基体为连续分布相。制备方法是先制备碳化硅造粒粉和硅造粒粉；接着制备硅-碳化硅层状预制件；最后采用真空液相压力浸渗方法制备铝硅-铝碳化硅复合材料。本发明复合材料既可进行激光焊接，又具有高弹性模量和高抗弯强度，高气密性，适合制备可用激光进行气密性焊接的封装壳体。

Description

可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子信息工业用的电子封装材料，尤其涉及一种可用激光进行焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息工业的发展，芯片集成度不断提高，使得电路的工作温度不断上升，相应地对封装材料的要求也越来越苛刻，不仅要求封装材料具有较高的热导率，与电子芯片相匹配的较低的热膨胀系数，而且为了满足轻量化的需要，还要求封装材料的密度尽可能的低、弹性模量尽可能的高。传统的封装材料如金属铝、铜、可伐合金、钨铜、钼铜等已很难满足电子信息工业不断发展对封装材料的需要。

高体积分数碳化硅增强铝基复合材料(以下简称铝碳化硅)和高体积分数硅增强铝基复合材料(以下简称铝硅合金)是新近发展起来的两种新型电子封装材料，它们具有高热导率、低密度和热膨胀系数可设计等特点因而受到越来越多研究者的关注，其应用范围也不断扩大，正在成为混合集成电路、毫米/微米波集成电路、多芯片组件等微电子器件的新一代电子封装外壳材料(钟鼓，吴树森，万里.高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展.材料导报，2008，22(2)：13-17.)。与铝硅合金相比，铝碳化硅具有较高的热导率和较高的力学性能，但铝硅合金材料具有容易加工、易回收再循环利用和可进行激光焊接等特点(Shannon，Geoff J.Pulsed Nd：YAG laser welding ofAl-Si controlledexpansion alloys and aluminum 4047.ICALEO 2004-23rd International Congress onApplications of Laser and Electro-Optics，Congress Proceedings.C.W Chien，S.L Lee，J.C.Lin，M.T.Jahn.Effects of Si size and volume fraction on propertiesof Al/Sip composites.Materials Letters，2002，52：334-341.徐高磊，邓江文，林木法.喷射沉积技术在Al-Si电子封装材料中的应用.料研究与应用，2008，2(1)：11-14.)。

装有芯片的电子封装器件对封装壳体的气密性要求很高，这一方面要求封装材料具有高的气密性，另一方面要求封装壳体的焊缝具有高气密性。激光焊接具有高质量、高精度、低变形、高效率、高速度及低成本等特点，是实现封装壳体高可靠性气密性焊接的主要途径之一。铝碳化硅封装壳体由于碳化硅的高熔点且含量大，因而无法采用激光焊接的方法直接进行盖板与壳体的封焊。

为解决铝碳化硅壳体的激光封焊问题，专利号为200420035055.8的中国专利提出了一种带金属密封环的铝碳化硅封装外壳，其结构特点是通过铸造或者钎焊的方法在铝碳化硅壳座的上端口设置金属密封环，该金属密封环可以与金属盖板激光焊接从而形成气密性封装壳体。金属密封环及金属盖板可用4J29、4J33、4J34、4J45、J47等膨胀合金、钛合金和430、410等不锈钢材料制造。但在该结构中，金属密封环与铝碳化硅壳体结合由于工艺成本高，难以实现封装壳体工业规模生产。

专利号为200520049746.8的中国专利提出了一种四周带金属边框的铝碳化硅封装板材，其结构特点是通过铸造或者钎焊的方法在铝碳化硅板材的四周固定连接金属，从而实现与带金属密封环的铝碳化硅封装壳体或合金围框的焊接。所述的金属边框材料包括4J29、4J33、4J34、4J45、J47等膨胀合金、钛合金、铝合金和430、410等不锈钢材料，该结构同样工艺成本高，难以实现封装壳体工业规模生产的问题。

专利号为200610125306.5的中国专利提出了一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法。该发明利用脉冲电流烧结技术与线切割相结合制备梯度框架，该梯度框架由7层不同成分的SiC粉-Al粉-Si粉混合层和6063铝合金层组成。将梯度框架与60vol％SiC-35vol％Al-5vol％Si复合材料底板利用脉冲电流烧结设备焊接在一起形成壳体，利用机械加工进行后处理得到所需形状的电子封装壳体。该壳体能够实现与可伐合金盖板的激光焊接，但焊缝的气密性难以满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可用激光直接进行焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法。该材料具有低热膨胀系数、高导热率、高弹性模量、高抗弯强度、高气密性的特点。

技术方案是：本发明可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料具有层状结构，由铝硅合金层和铝碳化硅层组成。铝硅合金层中硅的体积百分含量在30～60％之间，铝的体积百分含量在40～70％之间；铝碳化硅层中碳化硅的体积百分含量在30～70％之间，铝的体积百分含量在30～70％之间。用层状铝硅-铝碳化硅复合材料制备电子封装壳体时，铝硅合金层使封装壳体可与铝硅合金、铝-铝碳化硅、膨胀合金及不锈钢的盖板进行激光焊接，且热膨胀系数可以与铝碳化硅层相匹配；铝碳化硅层使封装壳体具有高导热率、低热膨胀系数、高弹性模量和高抗弯强度的特性，铝硅合金层和铝碳化硅层中的铝基体为连续分布相，保证了层状铝硅-铝碳化硅材料界面具有高气密性。

本发明可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料的制备，按以下步骤实施：

(1)制备碳化硅造粒粉。首先按照粘结剂重量百分含量为1.0～5.0％、造孔剂重量百分含量为0～35.0％、碳化硅重量百分含量为60.0～99.0％的比例分别秤取粘结剂(如有机硅树脂等)、造孔剂(如淀粉等)和碳化硅粉。接着将粘结剂溶入有机溶剂(如丙酮等)中制得粘结剂溶液。然后通过搅拌(如使用混炼机等)使碳化硅粉、造孔剂和粘结剂溶液混合均匀得到碳化硅浆料，最后进行造粒(如使用造粒机)得到碳化硅造粒粉。

(2)制备硅造粒粉。首先按照粘结剂重量百分含量为1.0～5.0％、造孔剂重量百分含量为0～35.0％、碳化硅重量百分含量为60.0～99.0％的比例分别秤取粘结剂(如有机硅树脂等)、造孔剂(如淀粉等)和硅粉。接着将粘结剂溶入有机溶剂(如丙酮等)中制得粘结剂溶液。然后通过搅拌(如使用混炼机等)使硅粉、造孔剂和粘结剂溶液混合均匀得到硅浆料，最后进行造粒(如使用造粒机)得到硅造粒粉。

(3)制备硅-碳化硅层状预制件。根据所需制备的样品尺寸及所设计的铝硅合金层厚度，分别称取相应质量的碳化硅造粒粉和硅造粒粉。先将碳化硅造粒粉铺设在凹模的底层，再将硅造粒粉铺设在碳化硅造粒粉的上层，通过凸膜对铺设的造粒粉施加30～200MPa的压力，恒压1～3min，卸压后将层状物从凹膜中取出，得到硅-碳化硅层状素坯。按1～10℃/min升温速率升至700～1000℃并恒温60～120min进行高温烧结处理，层状素坯中的造孔剂及大部分粘结剂挥发，硅-碳化硅层状素坯变成具有一定机械强度的多孔隙的硅-碳化硅层状预制件。

(4)采用真空液相压力浸渗方法制备铝硅-铝碳化硅复合材料。将多孔隙的硅-碳化硅层状预制件和铝合金放入浸渗炉内加热并抽真空，使炉内真空度小于1000Pa，控制层状预制件的温度为500～700℃，铝合金温度在铝合金熔点以上50～150℃。施加不小于10MPa的压力，将铝合金液压入多孔隙的硅-碳化硅层状预制件的孔隙中。待浸渗炉冷却后开炉取件，即得图1所示的铝硅-铝碳化硅层状复合材料。

在上述制备方法中，粘结剂主要起粘合粉体的作用，其质量百分含量可取为1.0～5.0％，因为在此范围内粘结剂的含量对材料的最终性能没有明显的影响，因此，在后面的实施例中，粘结剂含量一律取为3.0wt.％。造孔剂调节碳化硅颗粒和硅颗粒所占复合材料中的体积百分比。造粒粉中造孔剂含量越高，硅颗粒粉或碳化硅颗粒粉的含量越低，层状预制件中的孔隙度越高，浸渗后复合材料中铝的含量越高。本发明中造孔剂的含量为0～35wt.％。造孔剂对层状复合材料中硅体积百分数及碳化硅体积百分数的影响见表1的实施例。

在模压成型过程中，成型压力对层状预制件中的孔隙度有显著影响。在造粒粉相同时，成型压力越大，硅-碳化硅层状预制件中的孔隙度越低。成型压力对层状复合材料中硅体积百分数及碳化硅体积百分数的影响见表1的实施例。在真空液相压力浸渗过程中，工艺参数的选取应根据预制件的孔隙率及铝合金的熔点进行选择，目的是确保铝合金溶液能完全渗入硅-碳化硅层状预制件孔隙中。浸渗工艺参数的变化对层状复合材料中硅体积百分数及碳化硅体积百分数没有影响。

为保证用层状铝硅-铝碳化硅复合材料制备的封装壳体可激光封焊，铝硅合金层厚度一般不小于1.0mm；为保证用层状铝硅-铝碳化硅封装壳体仍具有高导热、低膨胀、高模量及高抗弯强度的性能特点，铝硅合金层厚度一般不大于3mm。

采用本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)将铝硅合金和铝碳化硅材料复合在一起，保持了铝硅合金和铝碳化硅两种材料的高导热、低膨胀的性能特点，铝硅-铝碳化硅层状复合材料中，铝硅合金层膨胀合金热导率为100～150W/m·K，热膨胀系数为8.5×10^-6～17×10^-6/K，铝碳化硅层热导率为150～200W/m·K，热膨胀系数为6.5×10^-6～14×10^-6/K。

(2)将铝硅合金和铝碳化硅材料复合在一起，充分发挥了两种材料各自优势，即：利用铝硅合金的可焊性实现铝硅-铝碳化硅封装壳体可与铝硅合金、铝硅-铝碳化硅及可伐合金的盖板进行激光焊接；利用铝碳化硅材料的高弹性模量和抗弯强度的性能特性，使铝硅-铝碳化硅层状复合材料制备的电子封装壳体具有高弹性模量和高抗弯强度。

(3)铝硅合金层中硅含量和铝碳化硅层中碳化硅含量的可调节性赋予铝硅-铝碳化硅层状材料具有在一定范围内可调节的热导率和热膨胀性能，可满足不同电子封装产品的性能要求。

(4)采用硅-碳化硅层状素坯一次性模压成型方法及真空液相压力浸渗方法，使得铝硅合金层和铝碳化硅层中的铝为连续相，从而保证了铝硅-铝碳化硅层状材料具有高的气密性，按GJB548B-2005中方法1014的规定进行气密性测定，结果表明材料漏气率不大于1×10^-9Pa·m³/s。

附图说明

图1本发明层状铝硅-铝碳化硅复合材料的示意图。1为铝硅合金层，2为铝碳化硅层。

具体实施方式

在粘结剂含量为1.0～5.0wt.％，浸渗压力不小于10MPa时，粘结剂含量及浸渗压力数值的大小对材料的最终性能没有明显的影响，因此，在实施例中，粘结剂含量一律取为3.0wt.％，浸渗压力一律取为10MPa。

下面结合实施例列表中的第4和第17实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于附表中的实施例。

实施例4

按照3∶97的比例秤取有机硅树脂30g和碳化硅粉970g，将有机硅树脂溶入丙酮中制得粘结剂溶液，在混炼机中使碳化硅粉末和粘结剂溶液混合均匀得到碳化硅浆料，使用造粒机造粒后得到碳化硅造粒粉；按照3∶18∶79的比例分别秤取有机硅树脂30g、淀粉180g和硅粉790g，将有机硅树脂溶入丙酮中制得粘结剂溶液，在混炼机中使硅粉、淀粉和粘结剂溶液混合均匀得到硅浆料，使用造粒机造粒后得到硅造粒粉。分别称取碳化硅造粒粉70g和硅造粒粉20g。先将碳化硅造粒粉铺设在凹模的底层，再将硅造粒粉铺设在碳化硅造粒粉的上层，然后通过凸膜对铺设的造粒粉施加30MPa的压力并保压3min，卸压后将层状物从凹膜中取出得到硅-碳化硅层状预制件素坯，按2℃/min升温速率升至700℃并恒温60min进行高温烧结后得到具有一定机械强度的多孔隙硅-碳化硅层状预制件。将制备得到的多孔隙硅-碳化硅层状预制件和铝合金放入浸渗炉内加热并抽真空，使炉内真空度小于1000Pa时，控制层状预制件的温度为600℃，铝液温度为720℃，在10MPa的压力下，将铝液压入多孔硅-碳化硅层状预制件的孔隙中。待浸渗炉冷却后开炉取件，即得铝硅-铝碳化硅层状复合材料。复合材料铝硅合金层的厚度约为2.8mm，铝碳化硅层的厚度约为7.1mm。铝硅合金层中硅体积分数为41％，铝碳化硅层碳化硅体积分数为58％，铝硅合金层和铝碳化硅层的热膨胀系数分别为13.3×10^-6/K和8.1×10^-6/K，铝硅合金层和铝碳化硅层的热导率分别为132W/m·K和186W/m·K。

实施例17

按照3∶18∶79的比例分别秤取有机硅树脂30g、淀粉180g和碳化硅粉790g，将有机硅树脂溶入丙酮中制得粘结剂溶液，在混炼机中使碳化硅粉末、淀粉和粘结剂溶液混合均匀得到碳化硅浆料，使用造粒机造粒后得到碳化硅造粒粉；按照3∶35∶62的比例分别秤取有机硅树脂30g、淀粉350g和硅粉620g，将有机硅树脂溶入丙酮中制得粘结剂溶液，在混炼机中使硅粉、淀粉和粘结剂溶液混合均匀得到硅浆料，使用造粒机造粒后得到硅造粒粉。分别称取碳化硅造粒粉80g和硅造粒粉20g。先将碳化硅造粒粉铺设在凹模的底层，再将硅造粒粉铺设在碳化硅造粒粉的上层，然后通过凸膜对铺设的造粒粉施加120MPa的压力并保压3min，卸压后将层状物从凹膜中取出得到硅-碳化硅层状预制件素坯，按2℃/min升温速率升至700℃并恒温60min进行高温烧结后得到具有一定机械强度的多孔隙硅-碳化硅层状预制件。将制备得到的多孔隙硅-碳化硅层状预制件和铝合金放入浸渗炉内加热并抽真空，使炉内真空度小于1000Pa时，控制层状预制件的温度为600℃，铝液温度为720℃，在10MPa的压力下，将铝液压入多孔硅-碳化硅层状预制件的孔隙中。待浸渗炉冷却后开炉取件，即得铝硅-铝碳化硅层状复合材料。复合材料铝硅合金层的厚度约为2.5mm，铝碳化硅层的厚度约为7.2mm。铝硅合金层中硅体积分数为34％，铝碳化硅层碳化硅体积分数为47％，铝硅合金层和铝碳化硅层的热膨胀系数分别为16.2×10^-6/K和10.6×10^-6/K，铝硅合金层和铝碳化硅层的热导率分别为141W/m·K和172W/m·K。

表1实施例

Claims

1.一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料，其特征在于该复合材料具有层状结构，由铝硅合金层和铝碳化硅层组成；铝硅合金层中硅的体积百分含量在30~60%之间，铝的体积百分含量在40~70%之间；铝碳化硅层中碳化硅的体积百分含量在30~70%之间，铝的体积百分含量在30~70%之间；铝硅合金层和铝碳化硅层中的铝基体为连续分布相。

2.如权利要求1所述的可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料，其特征在于铝硅合金层厚度不小于1.0mm，不大于3mm。

3.一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，制备碳化硅造粒粉：首先按照粘结剂重量百分含量为1.0~5.0%、造孔剂重量百分含量为0~35.0%、碳化硅重量百分含量为60.0~99.0%的比例分别秤取粘结剂、造孔剂和碳化硅粉；接着将粘结剂溶入有机溶剂中制得粘结剂溶液；然后通过搅拌使碳化硅粉、造孔剂和粘结剂溶液混合均匀得到碳化硅浆料，最后进行造粒得到碳化硅造粒粉；

第二步，制备硅造粒粉：首先按照粘结剂重量百分含量为1.0~5.0%、造孔剂重量百分含量为0~35.0%、碳化硅重量百分含量为60.0~99.0%的比例分别秤取粘结剂、造孔剂和硅粉；接着将粘结剂溶入有机溶剂中制得粘结剂溶液；然后通过搅拌使硅粉、造孔剂和粘结剂溶液混合均匀得到硅浆料，最后进行造粒得到硅造粒粉；

第三步，制备硅-碳化硅层状预制件：根据所需制备的样品尺寸及所设计的铝硅合金层厚度，分别称取相应重量的碳化硅造粒粉和硅造粒粉；先将碳化硅造粒粉铺设在凹模的底层，再将硅造粒粉铺设在碳化硅造粒粉的上层，通过凸膜对铺设的造粒粉施加30~200MPa的压力，恒压1~3min，卸压后将层状物从凹膜中取出，得到硅-碳化硅层状素坯；升温至700~1000℃并恒温60~120min进行高温烧结处理，层状素坯中的造孔剂及大部分粘结剂挥发，硅-碳化硅层状素坯变成多孔隙的硅-碳化硅层状预制件；

第四步，采用真空液相压力浸渗方法制备铝硅-铝碳化硅复合材料：将多孔隙的硅-碳化硅层状预制件和铝合金放入浸渗炉内加热并抽真空，控制层状预制件的温度为500~700℃，铝合金温度在铝合金熔点以上。

4.施加不小于10MPa的压力，将铝合金液压入多孔隙的硅-碳化硅层状预制件的孔隙中；待浸渗炉冷却后开炉取件，即得铝硅-铝碳化硅层状复合材料。

5.如权利要求3所述的一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于第三步制备硅-碳化硅层状预制件时硅-碳化硅层状素坯按1~10℃/min升温速率升至700~1000℃。

6.如权利要求3所述的一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于第四步所述抽真空是指使浸渗炉内真空度小于1000Pa。

7.如权利要求3所述的一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于第四步所述铝合金液温度为熔点以上50~150℃。