CN102140600A - 一种铝硅电子封装材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子封装材料，尤其是涉及一种铝硅电子封装材料及其制备方法。本发明体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制，制备成本低，工艺方便，能实现复杂形状和大尺寸的近净成形，综合性能好，可靠性高。本发明采用的技术方案为：所述封装材料按体积百分比由硅粗粉0～50%、硅细粉10～50%、硅微粉10～50%、金属铝元素8～57%、金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种电子封装材料，尤其是涉及一种铝硅电子封装材料及其制备方法。
二、背景技术：
背景技术中，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。铝硅电子封装材料具有热膨胀系数小、热导率高、密度小、易加工等特点，因此在尺寸精度要求高的电子封装领域具有较好的应用前景。国内外目前采用喷射沉积、粉末冶金、挤压铸造等方法制备铝硅电子封装材料，这些方法存在明显不足：一是硅的体积分数一般小于70%，因此热膨胀系数较高，与芯片不够匹配；二是制备过程均采用了高压，因此难以近净成形，零件需要后续大量机加工；三是后续致密化工艺复杂、成本高。另外，现有铝硅电子封装材料热膨胀系数可调范围小、难以近净成形以及成本高。
三、发明内容：
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种铝硅电子封装材料及其制备方法，其体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制，制备成本低，工艺方便，能实现复杂形状和大尺寸的近净成形，综合性能好，可靠性高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 ：
一种铝硅电子封装材料，其特征在于：所述封装材料按体积百分比由硅粗粉0～50%、硅细粉10～50%、硅微粉10～50%、金属铝元素8～57%、金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
上述封装材料按体积百分比由硅粗粉45～48%，硅细粉20～25%，硅微粉10～15%，金属铝元素10～22%，金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、按配比要求准确称量硅粗粉、硅细粉和硅微粉，装入混料机中混合6～8小时；
b、再加入添加剂在低压注射成型法成型，经排蜡和烧结后制出多孔硅预制型，烧结温度不超过1100℃；
c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在真空和气体压力下使液态合金浸渗入多孔硅预制型，凝固后打开模具形成近净成形的铝硅电子封装材料，其硅的体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制。
上述添加剂占原料的体积百分比为石蜡9～53%，油酸1～5%。
上述排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min；
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
本发明突出的特点是将硅的体积分数在40%～90%之间任意调节，因此热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制，热导率、弹性模量等性能也可根据需要进行调控；金属铝、金属硅和金属镁元素可以进行合理搭配，改善了材料的力学性能。采用模具一次性成型，因此实现了零件的近净成形。由于抽真空和加压浸渗一次性完成，材料致密性高，因此不需要复杂的后续致密化加工。由于所用压力不超过3MPa，小于现有各种方法的十分之一，因此可以采用多种模具，实现复杂形状零件的近净成形。由于这种铝硅电子封装材料的热膨胀系数等性能可在大范围调节，而且零件可以实现近净成形，因此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，具有很好的社会和经济效益。
四、具体实施方式：
本发明为一种铝硅电子封装材料及其制备方法，按体积百分比由硅粗粉0～50%、硅细粉10～50%、硅微粉10～50%、金属铝元素8～57%、金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
本发明较佳的一种技术方案为：按体积百分比由硅粗粉45～48%，硅细粉20～25%，硅微粉10～15%，金属铝元素10～22%，金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
本发明的制备方法包括以下步骤：
将硅粗粉、硅细粉和硅微粉装入混料机中混合6～8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡9～53%，油酸1～5%；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700℃，抽真空到0.07MPa，在2.0～3.0MPa气体压力下将800℃的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料，其硅的体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制。
硅粗粉、硅细粉与硅微粉都是高纯硅。金属铝、金属硅和金属镁都是工业级金属锭。
对原材料的化学成分要求如下：
材料名称 指标
硅粗粉 Si≥99%
硅细粉 Si≥99%
硅微粉 Si≥99%
金属铝 Al≥99.7%
金属硅 Si≥99.9%
金属镁 Mg≥99.9%
实施例1：
将粒径为30～50μm的硅细粉和6～12μm的硅微粉按体积比25%和25%装入混料机中混合6～8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡46%，油酸4%；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700℃，抽真空到0.07MPa，在2.0MPa气体压力下将800℃的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料（电子封装材料按体积比由硅细粉25%、硅微粉25%、金属铝元素47%、金属硅元素2.7%和金属镁元素0.3%组成），其硅的体积分数为50%，室温到150℃的热膨胀系数为11×10-6/K。
实施例2：
将粒径为30～50μm的硅细粉和6～12μm的硅微粉按体积比40%和20%装入混料机中混合6～8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡37%，油酸3%；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700℃，抽真空到0.07MPa，在2.5MPa气体压力下将800℃的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料（电子封装材料按体积比由硅细粉40%、硅微粉20%、金属铝元素37.5%、金属硅元素2.3%和金属镁元素0.2%组成），其硅的体积分数为60%，室温到150℃的热膨胀系数为9×10-6/K。
实施例3：
将粒径为120～200μm的硅粗粉、30～50μm的硅细粉和6～12μm的硅微粉按体积比45%、23%和12%装入混料机中混合6～8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡18%，油酸2%；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700℃，抽真空到0.07MPa，在3MPa气体压力下将800℃的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料（电子封装材料按体积比由硅粗粉45%、硅细粉23%、硅微粉12%、金属铝元素18%、金属硅元素1.9%和金属镁元素0.1%组成），其硅的体积分数为80%，室温到150℃的热膨胀系数为5×10-6/K。
Claims (5)
1.一种铝硅电子封装材料，其特征在于：所述封装材料按体积百分比由硅粗粉0～50%、硅细粉10～50%、硅微粉10～50%、金属铝元素8～57%、金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
2.根据权利要求1所述的一种铝硅电子封装材料，其特征在于：所述封装材料按体积百分比由硅粗粉45～48%，硅细粉20～25%，硅微粉10～15%，金属铝元素10～22%，金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、按配比要求准确称量硅粗粉、硅细粉和硅微粉，装入混料机中混合6～8小时；
b、再加入添加剂在低压注射成型法成型，经排蜡和烧结后制出多孔硅预制型，烧结温度不超过1100℃；
c、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在真空和气体压力下使液态合金浸渗入多孔硅预制型，凝固后打开模具形成近净成形的铝硅电子封装材料，其硅的体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制。
4.根据权利要求3所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于：所述添加剂占原料的体积百分比为石蜡9～53%，油酸1～5%。
5.根据权利要求3所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于：排蜡和烧结工艺为：排蜡升温速率2℃/min～3℃/min,排蜡温度100℃～120℃，保温时间240 min，烧结升温速率3℃/min～5℃/min，在烧结温度1000～1100℃烧结2～4小时，冷却速率为10℃/min～20℃/min。
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