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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