CN103060596A

CN103060596A - 一种SiC增强Al基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN103060596A
Application number: CN2012105503671A
Authority: CN
Inventors: 李国强; 刘玫潭; 蔡旭升; 何丽娇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入质量百分比为6~10%的粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为10：1~20：1的H₃PO₄和Al₂O₃组成；（2）预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；（3）预制件湿坯经烧制后得到预制件；（4）预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料。本发明技术操作性强，工艺简单易行，成本低廉，易于控制；制备得到的复合材料界面结合强度高，增强体颗粒分布均匀，具有良好的力学性能和热学性能。

Description

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及电子封装材料的制备方法，特别涉及一种SiC增强Al基复合材料的制备方法。

背景技术

随着微电子器件向高性能、轻量化和小型化方向发展，微电子对封装材料提出越来越苛刻的要求。传统的封装材料包括硅基板，金属基板和陶瓷基板等。硅和陶瓷基板加工困难，成本高，热导率低；金属材料的热膨胀系数与微电子芯片不匹配，在使用过程中将产生热应力而翘曲。因此这些传统的封装材料很难满足封装基板的苛刻需求。国内外新研发的新型散热基板有金属芯印刷电路板（MCPCB）、覆铜陶瓷板（DBC）和金属基低温烧结陶瓷基板（LTCC-M）。其中，金属芯印刷电路板热导率受到绝缘层的限制，热导率低，且不能实现板上封装；覆铜陶瓷板采用直接键合方式将陶瓷和金属键合在一起，提高了热导率，同时使得热膨胀系数控制在一个合适的范围，但金属和陶瓷的反应能力低，润湿性不好，使得键合难度高，界面结合强度低，易脱落；金属基低温烧结陶瓷基板对成型尺寸精度要求高，工艺复杂，也同样存在金属和陶瓷润湿性不好、易脱落的难题。

近年来，SiC增强Al基复合材料（AlSiC）由于原材料价格便宜，能近净成型复杂形状，且具有热导率高、膨胀系数可调、比刚度大、密度小，使封装结构具有功率密度高、芯片寿命长、可靠性高和质量轻等特点，在电子封装领域展现出了良好的应用前景。SiC颗粒作为增强材料具有性能优异，成本低廉的优点，其热膨胀系数为4.7×10^-6℃^-1，与Si的热膨胀系数最为接近，热导率为80~170W/m.k，弹性模量达450GPa，密度为3.2g/cm^-2。同时Al作为基板材料，具有高热导率（170~220W/m.k）、低密度（2.97g/cm^-2）、价格低廉和易于加工等优点，其缺点是热膨胀系数较高。但形成AlSiC复合材料以后，却能发挥出SiC和Al各自的优点，又克服了各自的缺点，能表现优异的综合性能。更为重要的是AlSiC的热膨胀系数可以通过SiC的加入量来调节，从而可以获得精确的热膨胀系数匹配，可以实现电子芯片的板上封装。

AlSiC电子封装材料的制备方法由SiC预制件制备和融熔铝合金液浸渗两步组成。目前，预制件的制备方法主要有模压成型、美国AFT公司的粉末注射成型和美国CPS公司的Quickset^TM注射成型技术。其中，模压成型适用于一些结构简单的构件，成型模具制造简单、操作方便、周期短、效率高，便于实现自动化生产，较适用于AlSiC封装材料的前期研制。浸渗工艺主要有真空压力浸渗和无压浸渗。真空压力浸渗虽然可以得到性能优良、气孔缺陷较少的AlSiC复合材料，但真空压力浸渗对设备材料要求较高，设备投资和模具成本高，生产周期长，生产成本高，工艺实施起来相对复杂。无压浸渗利用反应诱发润湿来实现良好浸渗，目前能实现高体积分数粉末增强金属基复合材料的近净成型。无压浸渗工艺过程中没有压力作用，也不需要昂贵的设备，生产成本低，工艺简单。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，技术操作性强，工艺简单易行，成本低廉，易于控制。制备得到的复合材料界面结合强度高，增强体颗粒分布均匀，具有良好的力学性能和热学性能，能广泛应用于电子器件的封装领域。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为10：1~20:1的H₃PO₄和Al₂O₃组成，所述粘结剂的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的6~10%；

（2）将步骤（1）得到的预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

（4）将步骤（3）得到的预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料。

所述ɑ-SiC原料由粒径比为6:1~7:1的两种ɑ-SiC颗粒组成。

所述ɑ-SiC原料由粒径为50~70μm的ɑ-SiC颗粒和8~10μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为50~70μm的ɑ-SiC颗粒与8~10μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3:1~3.5:1。

所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的4~14%。

所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为9~12min，100℃保温4.5~5.5h，100~250℃升温时间为50min~1.5h，250℃保温50min~1.5h，250~500℃升温时间为1.5~2.5h，500℃保温1~2h。

所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：（6~9）：（2~4）。

所述无压浸渗工艺，具体为：

将预制件和Al-Mg-Si系合金分别放入浸渗设备中，抽真空至10^-3以下，将预制件加热至650~700℃，Al-Mg-Si系合金过热至900~950℃，充入N₂，使炉内压强达0.10~0.12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放预制件的模具中进行浸渗，保温40min~1h，随炉冷却至580~600℃，取出空冷，制得SiC增强Al基复合材料。

所述模压成型的工艺参数为:压强为180~220Mpa，保压2~5min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明采用的粘结剂，成本低廉，强度高，提高了本发明的SiC增强Al基复合材料的力学强度。

（2）本发明选用淀粉作为造孔剂，造孔过程易于控制，并易于通过改变淀粉用量控制预制件的孔隙率，从而控制AlSiC复合材料中SiC增强体的体积分数，控制复合材料热膨胀系数和热导率。

（3）本发明采用Al-Mg-Si系合金为基质，能防止Al₄C₃脆性相的形成，并能有效地提高浸渗过程中预制件和Al合金液之间的润湿性，从而可以获得高质量的AlSiC复合材料。

（4）本发明采用无压浸渗和模压成型工艺制备SiC增强Al基复合材料，具有工艺简单易于控制，效率高，对设备要求低等优点，为大规模的生产打下基础。

（5）SiC和Al合金作为原材料，具有原材料成本低廉，易得的优点。

附图说明

图1为实施例1制备的SiC增强Al基复合材料的抛光表面扫描电镜（SEM）形貌图。

图2为实施例1制备的SiC增强Al基复合材料的打磨表面低倍背反射（EBSD）电子形貌图。

图3为实施例1制备的SiC增强Al基复合材料的SEM断口形貌图。

图4为实施例1制备的SiC增强Al基复合材料的X射线衍射（XRD）图谱。

图5为实施例1制备的SiC增强Al基复合材料的热膨胀系数随温度变化的曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为10：1的H₃PO₄和Al₂O₃组成；所述ɑ-SiC原料由粒径为50μm的ɑ-SiC颗粒和8μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为50μm的ɑ-SiC颗粒与8μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3:1；所述粘结剂的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的10%，所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的5%。

（2）将步骤（1）得到的预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；所述模压成型的工艺参数为:压强为200Mpa，保压3min。

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为10min，100℃保温5h，100~250℃升温时间为1h，250℃保温1h，250~500℃升温时间为2h，500℃保温1h。

（4）将步骤（3）得到的预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料；所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：7：3；

所述无压浸渗工艺，具体为：

将预制件和Al-Mg-Si系合金分别放入浸渗设备中，抽真空至10^-3以下，将预制件加热至700℃，Al-Mg-Si系合金过热至950℃，充入N₂，使炉内压强达0.12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放预制件的模具中进行浸渗，保温45min，随炉冷却至600℃，取出空冷，制得AlSiC复合材料。

图1为本实施例制备的SiC增强Al基复合材料的抛光表面扫描电镜（SEM）形貌图。图2为本实施例制备的SiC增强Al基复合材料的打磨表面低倍背反射（EBSD）电子形貌图。由图1~2可知，大小粒径的SiC颗粒均匀分布于Al基体中，小颗粒SiC填充在大颗粒SiC形成的空隙中，提高了复合材料中SiC的体积分数，据测试SiC体积分数高达66%。

图3为本实施例制备的SiC增强Al基复合材料的SEM断口形貌图。可见，部分SiC颗粒被拉断，但没有颗粒的脱离和拔出，以此可以说明Al基体和增强体界面结合状况非常理想。图中也未看到气孔等缺陷，说明了Al的浸渗很充分，Mg元素的加入有效地提高了润湿性。

图4为本实施例制备的SiC增强Al基复合材料的X射线衍射（XRD）图谱。从谱图得知，复合材料中主要含有SiC相，Al相，MgO相和Mg₂Si相，不存在Al₄C₃脆性相。这说明Al合金中Si元素的加入有效地防止了Al₄C₃脆性相的形成。

图5为本实施例制备的SiC增强Al基复合材料的热膨胀系数随温度变化的曲线。可以看出，AlSiC复合材料的热膨胀系数在7.77×10^-6～10.89×10^-6℃^-1之间变化，30℃~500℃和30℃~100℃内的平均热膨胀系数分别为9.31×10^-6℃^-1和8.10×10^-6℃^-1。这可以与陶瓷基片保持良好的热匹配。

本实施例制备的SiC增强Al基复合材料室温下的热扩散率，密度，比热及热导率见表1，可知本实施例制备得到的AlSiC复合材料具有密度低，热导率高的优良性能。

表1本发明制得的AlSiC复合材料热导率测试结果

热扩散率(mm²/s)	密度(g/cm³)	比热(J/g.k)	热导率(w/m.k)
				54.369	2.825	0.738	113.351

实施例2

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为15：1的H₃PO₄和Al₂O₃组成；所述ɑ-SiC原料由粒径为50μm的ɑ-SiC颗粒和8μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为50μm的ɑ-SiC颗粒与8μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3.5:1；所述粘结剂的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的6%，所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的4%。

（2）将步骤（1）得到的预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；所述模压成型的工艺参数为:压强为180Mpa，保压2min。

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为9min，100℃保温4.5h，100~250℃升温时间为50min，250℃保温50min，250~500℃升温时间为1.5h，500℃保温1h。

（4）将步骤（3）得到的预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料；所所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：6：2；

将预制件和Al-Mg-Si系合金分别放入浸渗设备中，抽真空至10^-3以下，将预制件加热至650℃，Al-Mg-Si系合金过热至900℃，充入N₂，使炉内压强达0.10Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放预制件的模具中进行浸渗，保温40min，随炉冷却至580℃，取出空冷，制得SiC增强Al基复合材料。

实施例3

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为20:1的H₃PO₄和Al₂O₃组成；所述ɑ-SiC原料由粒径为60μm的ɑ-SiC颗粒和10μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为60μm的ɑ-SiC颗粒与10μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3:1；所述粘结剂的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的10%，所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的14%。

（2）将步骤（1）得到的预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；所述模压成型的工艺参数为:压强为220Mpa，保压5min。

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为12min，100℃保温5.5h，100~250℃升温时间为1.5h，250℃保温1.5h，250~500℃升温时间为2.5h，500℃保温2h。

（4）将步骤（3）得到的预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料；所所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：9：4；

将预制件和Al-Mg-Si系合金分别放入浸渗设备中，抽真空至10^-3以下，将预制件加热至700℃，Al-Mg-Si系合金过热至950℃，充入N₂，使炉内压强达0.12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放预制件的模具中进行浸渗，保温1h，随炉冷却至600℃，取出空冷，制得SiC增强Al基复合材料。

实施例4

一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均匀；再加入粘结剂，再次混合均匀，并经烘干、过筛后得到预制件材料；所述粘结剂由摩尔比为10:1的H₃PO₄和Al₂O₃组成；所述ɑ-SiC原料由粒径为70μm的ɑ-SiC颗粒和10μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为70μm的ɑ-SiC颗粒与10μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3:1；所述粘结剂的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的8%，所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的10%。

（2）将步骤（1）得到的预制件材料装入模具，使用液压机模压成型得到预制件湿坯；所述模压成型的工艺参数为:压强为200Mpa，保压4min。

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为10min，100℃保温5h，100~250℃升温时间为1h，250℃保温1h，250~500℃升温时间为2h，500℃保温1.5h。

（4）将步骤（3）得到的预制件与Al-Mg-Si系合金采用无压浸渗工艺得到SiC增强Al基复合材料；所所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：7：3；

将预制件和Al-Mg-Si系合金分别放入浸渗设备中，抽真空至10^-3以下，将预制件加热至720℃，Al-Mg-Si系合金过热至920℃，充入N₂，使炉内压强达0.11Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放预制件的模具中进行浸渗，保温50min，随炉冷却至590℃，取出空冷，制得SiC增强Al基复合材料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）步骤（2）得到的预制件湿坯经烧制后得到预制件；

2.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述ɑ-SiC原料由粒径比为6:1~7:1的两种ɑ-SiC颗粒组成。

3.根据权利要求2所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述ɑ-SiC原料由粒径为50~70μm的ɑ-SiC颗粒和8~10μm的ɑ-SiC颗粒组成，所述粒径为50~70μm的ɑ-SiC颗粒与8~10μm的ɑ-SiC颗粒的质量比为3:1~3.5:1。

4.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述淀粉的质量为ɑ-SiC原料、粘结剂和淀粉质量之和的4~14%。

5.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧制的烧成参数为：0~100℃升温时间为9~12min，100℃保温4.5~5.5h，100~250℃升温时间为50min~1.5h，250℃保温50min~1.5h，250~500℃升温时间为1.5~2.5h，500℃保温1~2h。

6.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Al-Mg-Si系合金中各元素质量比为：1：（6~9）：（2~4）。

7.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述无压浸渗工艺，具体为：

8.根据权利要求1所述的SiC增强Al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述模压成型的工艺参数为：压强为180~220Mpa，保压2~5min。