CN102978485A

CN102978485A - 新型高硅铝合金电子封装材料及其制备方法

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Publication number: CN102978485A
Application number: CN2011102639317A
Authority: CN
Inventors: 杨伏良; 郭涵文
Original assignee: CHANGSHA HUAXI METAL MATERIAL Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA HUAXI METAL MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-20

Abstract

新型高硅铝合金电子封装材料及其制备方法，本发明的合金是由以下质量百分比的成分构成12～40%Si，0.3～0.6%Fe，0.3～0.45%Mn，0.3～0.5%Mg，其余为工业纯铝。采用喷射沉积制备锭坯，对锭坯进行消除热应力退火后再进行多次小变形量热致密化，防止合金加工开裂，从而提高材料致密度。本发明的合金具有高强度，低膨胀系数，高导热率及良好气密性等特点。

Description

新型高硅铝合金电子封装材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于电子封装的Al-Si-Fe-Mn-Mg合金及其制备方法，尤其涉及一种高硅铝合金电子封装材料的制备工艺。

背景技术

自1958年第一块半导体集成电路问世以来，到目前为止，IC芯片集成度的发展基本遵循MOORE定律。芯片集成度的提高必然导致其发热率的升高，使得电路的工作温度不断上升，从而导致元件失效率的增大。与此同时，电子封装也不断向小型化，轻量化和高密度组装化的方向发展，二十世纪九十年代以来，各种高密度封装技术，如芯片尺寸封装（CSP）,多芯片组件（MCM）及单极集成组件（SLIM）等的不断涌现，进一步增大了系统单位体积的发热率。为满足上述IC和封装技术的迅速发展，一方面要求对封装的结构进行合理的设计；另一方面，为从根本上改进产品的性能，全力研究和开发具有低密度低膨胀高导热及良好综合性能的新型封装材料显得尤为重要。用高硅铝合金制备的电子封装材料由于具有质量轻（密度小于2.7 g·cm^-3）、热膨胀系数低、热传导性能良好、以及高的强度和刚度，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊，易于精密机加工、无毒等优越性能，符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向发展的要求。另外，铝硅在地球上含量都相当丰富，硅粉的制备工艺成熟，成本低廉，所以铝硅合金材料成为了一种潜在的具有广阔应用前景的电子封装材料，但由于铝硅合金当硅含量较高时材料加工成形困难，期待研发出一种工艺稳定，成本较低，材料综合性能优良的制备工艺。

发明内容

为解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种能显著提高材料的热导率、气密性和抗拉强度，保持材料较低的热膨胀系数，大幅度改善材料加工成形性能，减化材料的制备工艺，降低材料的制造成本的高硅铝合金材料的制备工艺，使铝硅电子封装材料具有优良的综合使用性能。

本发明的第二目的在于提供一种新型高硅铝合金电子封装材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型高硅铝合金电子封装材料，含有Al、Si、 Fe、Mn和Mg，各组分的重量百分比为： Si 12～40%，Fe 0.3～0.6%，Mn 0.3～0.45%，Mg 0.3～0.5%，其余为Al。

一种新型高硅铝合金电子封装材料的制备方法，包括以下步骤：

1）准备配料；

2）将上述配料熔炼，喷射沉积得到锭坯；

3）将上述锭坯进行去应力退火；

4）将退火后的锭坯进行热致密化加工，得到综合性能优异的高硅铝合金电子封装材料。

所述步骤2）具体为将上述配料在中频感应炉内进行熔炼，升温至750～1350℃，充分搅拌，用30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石为熔剂进行覆盖造渣，并用六氯乙烷除气；金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约200～300mm的基体上沉积，制备成一定尺寸的锭坯。

所述步骤3）具体为将合金锭坯进行去应力退火，其退火温度为400～500℃，保温时间为2～5小时。

所述步骤4）为将锭坯进行热致密化加工，具体工艺为热锻，锭坯加热温度为480～540℃，保温0.5～2小时，采用模锻，反复多次后锻成一定厚度的锭坯，其致密度达到99.8%以上，得到综合性能优异的高硅铝合金电子封装材料。

本发明提出的新型铝硅合金电子封装材料及其制备方法，是在二元铝硅合金的基础上添加微量的Fe(0.3～0.6%)、Mn(0.3～0.45%)、Mg(0.3～0.5%)，合金中加入适量的Mn元素后一是可消除针状Al-Fe-Si相，而形成颗粒状的金属间化合物Al-FeMn-Si，二是可提高合金的热稳定性；加入适量的Mg可以形成少量强化相Mg₂Si，从而提高合金强度，但不影响其他性能。

本发明提出了一种切实可行的工艺路线，通过喷射沉积技术将合金制备成锭坯，锭坯经去应力退火，退火后的锭坯采用模具进行热致密化，通过多次反复小变形的热锻方式，促进锭坯的变形以达到合适的密度，减少了材料的气孔率和孔隙率，同时，提高了材料的致密度、导热系数及强度等综合性能，从而制备出低膨胀，高导热，高强度的铝硅复合电子封装材料。

热致密化后材料的性能指标分别如下：

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：0.2~3.8；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：158~196；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：12.5~19.8；抗弯强度（MPa）：212～225。

综上所述，本发明是一种能显著提高材料的热导率、气密性和抗拉强度，保持材料较低的热膨胀系数，大幅度改善材料加工成形性能，减化材料的制备工艺，降低材料的制造成本的高硅铝合金材料的制备工艺，使铝硅电子封装材料具有优良的综合使用性能。

具体实施方式

实施例1：

1) 锭坯制取

各合金元素按如下比例配料，Si：12%，Fe:0.3%，Mn:0.3%,Mg:0.3%及余量为工业纯铝，配料在中频感应炉中熔炼，升温至750℃，充分搅拌，用熔剂（30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石）进行覆盖造渣，并用六氯乙烷（C₂Cl₆）除气。金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约200mm的基体上，其喷射沉积工艺参数附表1。

表1 喷射沉积工艺参数

熔炼温度(℃)	喷嘴孔径(mm)	雾化气体	气体压力（MPa）	沉积距离(mm)	基体旋转速度(r.min^－1)	雾化锥角(°)
							750	3.0	N₂	0.8	200	200	30

2) 去热应力退火

将冷却后的锭坯取出在电阻炉内进行去应力退火，退火温度为400℃，保温时间为2小时。

3) 热致密化工艺

锭坯加热温度480℃，保温0.5小时，采用模锻，终锻温度380℃，反复多次后锻成致密度为99.9%的电子封装材料用锭坯。

4) 材料性能

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：0.2；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：196；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：19.8；抗弯强度（MPa）：212。

实施例2：

1) 锭坯制取

各合金元素按如下比例配料，Si：20%，Fe:0.4%，Mn:0.35%,Mg:0.3%及余量为工业纯铝，配料在中频感应炉中熔炼，升温至950℃，充分搅拌，用熔剂（30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石）进行覆盖造渣，并用六氯乙烷（C₂Cl₆）除气。金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约250mm的基体上，其喷射沉积工艺参数附表1。

表1 喷射沉积工艺参数

熔炼温度(℃)	喷嘴孔径(mm)	雾化气体	气体压力（MPa）	沉积距离(mm)	基体旋转速度(r.min^－1)	雾化锥角(°)
							950	3.0	N₂	0.8	250	200	30

2) 去热应力退火

将冷却后的锭坯取出在电阻炉内进行去应力退火，退火温度为450℃，保温时间为3小时。

3) 热致密化工艺

锭坯加热温度500℃，保温1.0小时，采用模锻，终锻温度400℃，反复多次后锻成致密度为99.85%的电子封装材料用锭坯。

4) 材料性能

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：0.8；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：182；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：17.4；抗弯强度（MPa）：218。

实施例3：

1) 锭坯制取

各合金元素按如下比例配料，Si：26%，Fe:0.45%，Mn:0.40%,Mg:0.35%及余量为工业纯铝，配料在中频感应炉中熔炼，升温至1050℃，充分搅拌，用熔剂（30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石）进行覆盖造渣，并用六氯乙烷（C₂Cl₆）除气。金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约300mm的基体上，其喷射沉积工艺参数附表1。

表1 喷射沉积工艺参数

熔炼温度(℃)	喷嘴孔径(mm)	雾化气体	气体压力（MPa）	沉积距离(mm)	基体旋转速度(r.min^－1)	雾化锥角(°)
							1050	3.5	N₂	0.8	300	200	30

2) 去热应力退火

将冷却后的锭坯取出在电阻炉内进行去应力退火，退火温度为480℃，保温时间为4小时。

3) 热致密化工艺

锭坯加热温度500℃，保温1.5小时，采用模锻，终锻温度400℃，反复多次后锻成致密度为99.82%的电子封装材料用锭坯。

4) 材料性能

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：1.5；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：174；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：15.8；抗拉强度（MPa）：221。

实施例4：

1) 锭坯制取

各合金元素按如下比例配料，Si：33%，Fe:0.5%，Mn:0.40%,Mg:0.40%及余量为工业纯铝，配料在中频感应炉中熔炼，升温至1200℃，充分搅拌，用熔剂（30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石）进行覆盖造渣，并用六氯乙烷（C₂Cl₆）除气。金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约300mm的基体上，其喷射沉积工艺参数附表1。

表1 喷射沉积工艺参数

熔炼温度(℃)	喷嘴孔径(mm)	雾化气体	气体压力（MPa）	沉积距离(mm)	基体旋转速度(r.min^－1)	雾化锥角(°)
							1200	3.5	N₂	0.8	300	200	30

2) 去热应力退火

将冷却后的锭坯取出在电阻炉内进行去应力退火，退火温度为500℃，保温时间为5小时。

3) 热致密化工艺

锭坯加热温度520℃，保温2小时，采用模锻，终锻温度400℃，反复多次后锻成致密度为99.82%的电子封装材料用锭坯。

4) 材料性能

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：2.9；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：165；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：14.1；抗拉强度（MPa）：223。

实施例5：

1) 锭坯制取

各合金元素按如下比例配料，Si：40%，Fe:0.6%，Mn:0.45%,Mg:0.5%及余量为工业纯铝，配料在中频感应炉中熔炼，升温至1350℃，充分搅拌，用熔剂（30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石）进行覆盖造渣，并用六氯乙烷（C₂Cl₆）除气。金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约300mm的基体上，其喷射沉积工艺参数附表1。

表1 喷射沉积工艺参数

熔炼温度(℃)	喷嘴孔径(mm)	雾化气体	气体压力（MPa）	沉积距离(mm)	基体旋转速度(r.min^－1)	雾化锥角(°)
							1350	3.5	N₂	0.8	300	200	30

2) 去热应力退火

将冷却后的锭坯取出在电阻炉内进行去应力退火，退火温度为500℃，保温时间为4.5小时。

3) 热致密化工艺

锭坯加热温度540℃，保温2小时，采用模锻，终锻温度400℃，反复多次后锻成致密度为99.80%的电子封装材料用锭坯。

4) 材料性能

气密性（10^-8Pa·m³·s^-1）：3.8；导热率（Ｗ·M^-1·K^-1）：158；100℃时的线膨胀系数（10^-6K^-1）：12.5；抗拉强度（MPa）：225。

Claims

1.一种新型高硅铝合金电子封装材料，其特征在于：含有Al、Si、 Fe、Mn和Mg，各组分的重量百分比为： Si 12～40%，Fe 0.3～0.6%，Mn 0.3～0.45%，Mg 0.3～0.5%，其余为Al。

2.一种新型高硅铝合金电子封装材料的制备方法，包括以下步骤：

1）准备配料；

2）将上述配料熔炼，喷射沉积得到锭坯；

3）将上述锭坯进行去应力退火；

3.根据权利要求2所述的一种新型高硅铝合金电子封装材料制备方法，其特征在于：所述步骤2）具体为将上述配料在中频感应炉内进行熔炼，升温至750～1350℃，充分搅拌，用30%NaCl＋47%KCl＋23%冰晶石为熔剂进行覆盖造渣，并用六氯乙烷除气；金属液滴经漏嘴注入喷射沉积装置中，被高压氮气雾化后的金属液珠直接喷入距离喷嘴约200～300mm的基体上沉积，制备成一定尺寸的锭坯。

4.根据权利要求2所述的一种新型高硅铝合金电子封装材料制备方法，其特征在于：所述步骤3）具体为将合金锭坯进行去应力退火，其退火温度为400～500℃，保温时间为2～5小时。

5.根据权利要求2所述的一种新型高硅铝合金电子封装材料制备方法，其特征在于：所述步骤4）为将锭坯进行热致密化加工，具体工艺为热锻，锭坯加热温度为480～540℃，保温0.5～2小时，采用模锻，反复多次后锻成一定厚度的锭坯，其致密度达到99.8%以上的综合性能优异的高硅铝合金电子封装材料。