CN103817324A - Al-Si封装材料比例压缩致密化方法 - Google Patents
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Abstract
一种Al-Si封装材料比例压缩致密化方法，其特征在于包括如下步骤：①下料，材料为喷射沉积Al-Si合金坯料，其中Si含量≤35%，其余Al；下料规格根据实际要求，进行等体积下料；②加热，对材料合计坯料进行加热，温度为345℃～505℃，保温3h～5h；③压缩致密，将合金坯料装入模具中，对模具进行加热，温度345℃～455℃，到温度后保温3h～5h，开启液压机进行慢速压缩致密化，完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料。与现有技术相比较，本发明具有成本低、工艺流程短且材料利用率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子封装材料，尤其涉及该封装材料的致密化处理方法。
背景技术
Al-Si合金是一种比较典型电子封装材料，被广泛用于封装各种电子芯片。目前，Al-Si合金的喷射沉积制备工艺相对成熟，其原理是Al-Si熔体在氮气(或其他惰性气体等)作用下，雾化成微小的固态颗粒和半固态熔滴的同时形成高速射流，射流中的颗粒和熔滴撞击到旋转地沉积盘上发生能量转换、变形和铺展，并以较快速度冷却、凝固、堆垛形成Al-Si合金沉积锭。固态颗粒和半固态熔滴堆垛沉积而形成的Al-Si合金沉积锭中不可避免地形成了空隙(孔隙)，在封装制件制造过程中，由于这些空隙(孔隙)存在，严重影响着封装制件的焊接性能、金属镀层涂覆以及气密性等性能，从而导致封装制件的成品率较低。因此，采用喷射沉积制备的Al-Si合金制造封装制件之前，必须消除沉积锭中的空隙(孔隙)，即进行致密化处理。
喷射沉积制备的Al-Si合金材料致密化处理的工艺有热等静压和锻造、挤压、轧制等塑性变形工艺。目前，对于喷射沉积制备的Al-Si封装材料主要采用高温、高压作用的热等静压工艺进行致密化处理，该致密化处理工艺所需热等静压设备成本投入较大；单批次处理的沉积锭坯数量有限，往往需要进行多批次处理，处理时间长，处理效率低；同时致密化处理后的圆锭经线切割成所需形状的坯料而后经机械加工成芯片封装壳体，加工周期长，材料利用率低，制造成本较高。这类的文献可以参考专利号为ZL03119606.3的中国发明专利《低密度低膨胀系数高热导率硅铝合金封装材料及制备方法》(授权公告号为CN1287449C)；申请号为201110263931.7的中国发明专利申请公开《新型高硅铝合金电子封装材料及其制备方法》(申请公布号为CN10298485A)；申请号为201210058570.7的中国发明专利申请公开《一种喷射沉积Si-Al合金电子封装材料的制备工艺》(申请公布号为CN102534321A)。
因此，喷射沉积制备的Al-Si封装材料高效、低成本致密化处理工艺，一直是本专业技术领域研究人员研究和开发的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种成本低、处理周期短，材料利用率高的Al-Si封装材料比例压缩致密化方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种Al-Si封装材料比例压缩致密化方法，其特征在于包括如下步骤：
①下料，材料为喷射沉积Al-Si合金坯料，其中Si含量≤35%，其余Al；下料规格根据实际要求，进行等体积下料；
②加热，对材料合计坯料进行加热，温度为345℃～505℃，保温3h～5h；
③压缩致密，将合金坯料装入模具中，对模具进行加热，温度345℃～455℃，到温度后保温3h～5h，开启液压机以0.5～3mm/s进行慢速压缩致密化，完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料，压缩后的截面面积是下料最小截面面积的1～3.5倍。
所述的模具可以包括
凹模，具有供材料放置的凹腔；
顶出垫板，设于前述凹腔底部；
下模板，设于凹模底面并中部开设有通孔；
顶出杆，能上下移动地设置于前述下模板的通孔内并能推动顶出垫板；
凸模，设于前述凹模的上方并相对凹模能上下移动；以及
上模板，设于前述凸模的顶面。
作为优选，所述下料的截面为圆形截面时，材料的极限压缩率≤85%；所述下料的截面为矩形时，该材料的极限压缩率≤80%。
一种Al-Si封装材料比例压缩致密化方法，其特征在于包括如下步骤：
①下料，材料为喷射沉积Al-Si合金坯料，其中Si含量35%～50%，其余Al；下料规格根据实际要求，进行等体积下料；
②加热，对材料合计坯料进行加热，温度为345℃～505℃，保温3h～5h；
③预压缩致密，预极限压缩率≤60%；压缩后的坯料截面面积是下料最小截面面积的1～2.5倍；
④压缩致密，将合金坯料装入模具中，对模具进行加热，温度345℃～455℃，到温度后保温3h～5h，开启液压机以0.5～1.5mm/s进行慢速压缩致密化，极限压缩率≤55%；压缩后的截面面积是预压缩致密后截面面积的1～1.5倍，完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料。
进一步，所述的模具可以包括
凹模，具有供材料放置的凹腔；
顶出垫板，设于前述凹腔底部；
下模板，设于凹模底面并中部开设有通孔；
顶出杆，能上下移动地设置于前述下模板的通孔内并能推动顶出垫板；
上模板，位于前述凹模的上方并相对凹模能上下移动；
第一凸模，设于前述上模板的下端面并能在预变形位和压缩致密位之间变换；以及
第二凸模，设于前述上模板的下端面并与前述第一凸模构成一与凹模的凹腔适配的凸模，
前述的第一凸模处于预变形位状态下，前述第二凸模的底面向下伸出第一凸模的底面而存在高度差；
前述的第一凸模处于压缩致密位状态下，前述第二凸模的底面向下与第一凸模的底面持平。
进一步，所述的上模板下端面设有一连接块，该连接块底部形成一膨大的头部，所述的第一凸模上端部能套设于该连接块的头部上并能上下移动，一能拆卸的垫块套设于前述连接块上并上端面与下模板底面相抵，下端面与第一凸模的顶面相抵。
进一步，所述的第一凸模顶面设有一限制第一凸模脱离连接块的固定板，而所述的垫块下端面则与固定板的上端面相抵
加热工序，为了提高Al-Si合金的塑性变形能力，降低塑性变形抗力。
比例压缩预变形工序是根据Al-Si合金的成分确定，若合金中Si的含量≤35%时，无需该工序，在合金加热后直接进行比例压缩致密化；若合金中Si的含量在35%～50%时，合金的塑性变形能力相对较差，需通过预变形工序，使合金在低应变速率和三向应力状态下发生塑性流动预变形，来改善合金的内部组织和变形协调能力，从而提高合金的塑性变形能力。
比例压缩致密化工序，通过模具对合金坯料在长度和宽度方向上的流程予以一定比例，来改变合金坯料变形承力状态和流动方向，从而实现合金致密化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）减少了致密化处理的设备投入，缩短致密化处理工时，降低了致密化成本。
（2）通过比例压缩预变形工序，提高了Al-Si合金的塑性变形能力，实现坯料改形改性。
（3）实现坯料一次加热两工序变形（比例压缩预变形工序和压缩致密化工序），减少了加热次数，有效避免多道次加热引起合金的微观组织粗化。
（4）简化了致密化处理工序和工艺、提高了致密化处理效率。
（5）模具结构简单，可用于不同规格的坯料致密化处理，实用性和通用性强。
附图说明
图1为实施例1模具结构示意图。
图2为实施例1中材料致密化后组织显微照片。
图3为实施例3中模具预变形时结构示意图。
图4为实施例3中模具压缩致密时结构示意图。
图5为实施例3中材料致密化后组织显微照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1，如图1所示，本实施例中涉及的模具包括凹模2、下模板4、顶出杆5、顶出垫板21、凸模1及上模板3，凹模2具有供材料放置的凹腔，下模板4设于凹模2底面并中部开设有通孔，顶出垫板21设于凹腔底部，顶出杆5能上下移动地设置于下模板4的通孔内并能推动顶出垫板21，凸模1设于凹模2的上方并相对凹模2能上下移动，上模板3设于凸模1的顶面。
凸模1为整体结构凸模，并通过螺栓固定在上模板3下方。
凸模1下端面为矩形，其规格取决与原始材料的形状与规格。圆锭下料时，直径D0mm，高度H0mm，矩形的长度L0为(1.5～3)D0mm，宽度W0为(1.0～1.5)D0mm。方坯下料时，长度l01mm，宽度w01为（0.5～0.8）L01mm，高度h01小于2.5×L01mm，凸模下端矩形截面的长度L01为（1.3～3）l01mm，宽度W01为(1.2～2.5)w01mm。
凹模2内腔长度和宽度与凸模矩形端面相等，分别为L mm和W mm，并通过螺栓固定在下模板上方。
顶出垫板21其长度为Lmm、宽为W mm、厚度为(25～35)mm，顶出杆5装配在顶出垫板下方的下模板4的通孔中。
具体工艺步骤如下：
（1）Al-Si合金下料与加热
选用喷射沉积制备的Al-27Si合金沉积锭，车削外皮至直径270mm，采用带锯切成高度350mm的圆锭，并片平圆锭两端面。沉积锭加热温度（345℃～505℃），到温度后保温3h～5h；采用凹模型腔长度L1=432mm，宽度W=300mm。模具配装后，进行整体加热，模具加热温度（345℃～455℃），到温度后保温3h～5h。
（2）比例压缩致密化
将加热后模具配装在液压机上，在凸模矩形断面、凹模型腔侧壁、顶出垫板表面及加热后的坯料表面涂抹润滑剂，将坯料放置在凹模一端的宽边中心位置上，该宽边与坯料圆柱面相切，放置完毕后，开启液压机进行慢速(0.5～3mm/s)压缩致密化，压下量 196mm。完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料。所得坯料组织显微照片如图2所示。
实施例2，本实施例中涉及的模具参考实施例1，具体步骤如下：
（1）Al-Si合金下料与加热
选用喷射沉积制备的Al-27Si合金沉积锭，下料规格：长250mm、宽180mm、高400mm。加热温度（345℃～505℃），到温后保温3h～5h。
（2）比例压缩致密化
所采用凹模型腔长度350mm、宽245mm。模具配装后，进行整体加热，模具加热温度（345℃～455℃），到温度后保温3～5h。
模具加热后配装在液压机上，在凸模矩形工作端面、凹模型腔侧壁、顶出垫板表面及加热后的坯料表面涂抹润滑剂后，将合金坯料放置在凹模一端的宽边中心位置上，模具宽边与坯料的（宽度-高）面相接触，放置完毕后，开启液压机进行慢速(0.5～3mm/s)压缩致密化，压下量192mm。完成压缩后凸模卸载并回程，顶出变形后的坯料。
实施例3，如图3和图4所示，本实施例涉及的模具包括凹模2、顶出垫板21、下模板4、顶出杆5、上模板3、第一凸模11及第二凸模12。凹模2具有供材料放置的凹腔，顶出垫板21设于凹腔底部，下模板4设于凹模2底面并中部开设有通孔，顶出杆5能上下移动地设置于下模板4的通孔内并能推动顶出垫板21，上模板3位于凹模2的上方并相对凹模2能上下移动，第一凸模11设于上模板3的下端面并能在预变形位和压缩致密位之间变换，第二凸模12设于上模板3的下端面并与第一凸模11构成一与凹模2的凹腔适配的凸模。
第一凸模11处于预变形位状态下，第二凸模12的底面向下伸出第一凸模11的底面而存在高度差；第一凸模11处于压缩致密位状态下，第二凸模12的底面向下与第一凸模11的底面持平。
上模板3下端面设有连接块7，该连接块7底部形成一膨大的头部71，第一凸模11上端部能套设于该连接块的头部71上并能上下移动，第一凸模11顶面设有一限制第一凸模11脱离连接块的固定板6，能拆卸的U形垫块9套设于连接块7上并上端面与下模板3底面相抵，下端面则与固定板6的上端面相抵。U形垫9块厚度等于第二凸模12的高度减去第一凸模11的高度。
第一凸模下端面为矩形，其规格取决与原始材料的形状与规格，当原始材料为圆锭时，下料直径D0mm，高度H0mm，第一凸模的下端矩形截面的长度L11为(1.3～1.5)D0mm，宽度W11为(1.1～1.3)D0mm；第二凸模的下端矩形截面的长度L21=（1.2～2）L11mm，宽度为W11。
当原始材料为方坯时，方坯的长度l0mm，宽度w0=（0.5～0.8）l0mm，高度h0小 于2.5×l0mm，第一凸模的下端矩形截面的长度L12为（1.3～1.5）l0mm，宽度W12为(1.0～1.5)w0mm。第二凸模的下端矩形截面的长度L21为（1.0～2）L12mm，宽度为W12。
凹模304内腔长度L凹等于第一凸模和第二凸模的下端矩形截面的长度之和，宽度W凹等于凸模宽度，并通过螺栓固定在下模板上方。顶出垫板的长度为L凹mm、宽为W 凹mm、厚度为(25～35)mm，顶出垫板放在凹模的凹腔内，顶出杆装配在顶出垫板下方的下模板中。
具体工艺步骤如下：
（1）Al-Si合金下料与加热
选用喷射沉积制备的Al-50Si合金沉积锭，沉积锭车削外皮至直径200mm，并锯切成高度280mm的圆锭，片平圆锭两端面。沉积锭加热温度（375℃～505℃），到温度后保温3h～5h。
（2）比例压缩预变形
采用分体凸模，第一凸模下端矩形截面的长度为300mm，宽度240mm，第二凸模下端矩形截面的长度为400mm，宽度240mm。所采用凹模型腔长度702mm，宽度W=242mm。
模具配装后，进行整体加热，模具加热温度（345℃～455℃），到温度后保温3h～5h。
模具加热后配装在液压机上，在第一凸模矩形工作端面、第二凸模与第一凸模配装面、凹模型腔侧壁、顶出垫板表面及加热后的坯料表面涂抹润滑剂后，将合金坯料放在凹模一端的宽边中心位置上，模具宽边与坯料的圆柱面相切接触，放置完毕后，开启液压机进行慢速预变形，预变形压下量158mm。预变形压缩完成后，液压机卸压并回程。
（3）比例压缩致密化
在完成比例压缩预变形压缩的基础上，液压机卸载回程后。在第一凸模与上模板之间的空隙中放置厚度为122mm的U形垫块，从而保证第一凸模和第二凸模的下端矩形截面在同一水平面上。随后，在第一凸模和第二凸模的下端矩形截面上及预变形合金上涂抹润滑剂后，开启液压机进行慢速(0.5～3mm/s)压缩致密化。压下量为70mm。完成压缩后凸模卸载并回程，顶出变形后的坯料。所得坯料组织显微照片如图5所示。
实施例4，本实施例中涉及的模具参考实施例1。
具体工艺步骤如下：
（1）Al-Si合金下料与加热
选用喷射沉积制备的Al-50Si合金沉积锭，下料规格：长200mm、宽160mm、高280mm。加热温度（375℃～505℃），到温后保温3h～5h。
（2）比例压缩预变形
采用分体凸模，第一凸模的下端矩形截面的长度为300mm，宽度240mm，第二凸 模的下端矩形截面的长度为320mm，宽度240mm。所采用凹模型腔长度622mm，宽度W=242mm。
模具配装后，进行整体加热，模具加热温度（345℃～455℃），到温度后保温3h～5h。
模具加热后配装在液压机上，在第一凸模矩形工作端面、第二凸模与第一凸模配装面、凹模型腔侧壁、顶出垫板表面及加热后的坯料表面涂抹润滑剂后，将合金坯料放在凹模一端的宽边中心位置上，模具宽边与坯料的（宽度—高）面相接触，放置完毕后，开启液压机进行慢速预变形，预变形压下量154mm。预变形压缩完成后，液压机卸压并回程。
（3）比例压缩致密化
在完成比例压缩预变形压缩的基础上，液压机卸载回程后。在第一凸模与上模板之间的空隙中放置厚度为126mm的U形垫块，从而保证第一凸模和第二凸模的下端矩形截面在同一水平面上。随后，在第一凸模和第二凸模的下端矩形截面上及预变形合金上涂抹润滑剂后，开启液压机进行慢速(0.5～3mm/s)压缩致密化。压下量为66mm。完成压缩后凸模卸载并回程，顶出变形后的坯料。
下表为各实施例中涉及的Al-Si合金材料的成分、下料尺寸及凸模尺寸对照表
A类合金中Si的含量≤35%,其比例压缩致密化工艺：下料—加热—比例压缩致密化。B类合金中Si的含量在35%～50%之间，其比例压缩致密化工艺：下料—加热—比例压缩预变形—比例压缩致密化。
Claims (8)
1.一种Al-Si封装材料比例压缩致密化方法，其特征在于包括如下步骤：
①下料，材料为喷射沉积Al-Si合金坯料，其中Si含量≤35%，其余Al；下料规格根据实际要求，进行等体积下料；
②加热，对材料合计坯料进行加热，温度为345℃～505℃，保温3h～5h；
③压缩致密，将合金坯料装入模具中，对模具进行加热，温度345℃～455℃，到温度后保温3h～5h，开启液压机以0.5～3mm/s进行慢速压缩致密化，完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料，压缩后的截面面积是下料最小截面面积的1～3.5倍。
2.根据权利要求1所述的致密化方法，其特征在于所述的模具包括
凹模，具有供材料放置的凹腔；
顶出垫板，设于前述凹腔底部；
下模板，设于凹模底面并中部开设有通孔；
顶出杆，能上下移动地设置于前述下模板的通孔内并能推动顶出垫板；
凸模，设于前述凹模的上方并相对凹模能上下移动；以及
上模板，设于前述凸模的顶面。
3.根据权利要求1所述的致密化方法，其特征在于所述下料的截面为圆形截面时，材料的极限压缩率≤85%。
4.根据权利要求1所述的致密化方法，其特征在于所述下料的截面为矩形时，该材料的极限压缩率≤80%。
5.一种Al-Si封装材料比例压缩致密化方法，其特征在于包括如下步骤：
①下料，材料为喷射沉积Al-Si合金坯料，其中Si含量35%～50%，其余Al；下料规格根据实际要求，进行等体积下料；
②加热，对材料合计坯料进行加热，温度为345℃～505℃，保温3h～5h；
③预压缩致密，预极限压缩率≤60%；压缩后的坯料截面面积是下料最小截面面积的1～2.5倍；
④压缩致密，将合金坯料装入模具中，对模具进行加热，温度345℃～455℃，到温度后保温3h～5h，开启液压机以0.5～1.5mm/s进行慢速压缩致密化，极限压缩率≤55%；压缩后的截面面积是预压缩致密后截面面积的1～1.5倍，完成压缩后凸模卸载并回程，最后顶出变形后的坯料。
6.根据权利要求5所述的致密化方法，其特征在于所述的模具包括
凹模，具有供材料放置的凹腔；
顶出垫板，设于前述凹腔底部；
下模板，设于凹模底面并中部开设有通孔；
顶出杆，能上下移动地设置于前述下模板的通孔内并能推动顶出垫板；
上模板，位于前述凹模的上方并相对凹模能上下移动；
第一凸模，设于前述上模板的下端面并能在预变形位和压缩致密位之间变换；以及
第二凸模，设于前述上模板的下端面并与前述第一凸模构成一与凹模的凹腔适配的凸模，
前述的第一凸模处于预变形位状态下，前述第二凸模的底面向下伸出第一凸模的底面而存在高度差；
前述的第一凸模处于压缩致密位状态下，前述第二凸模的底面向下与第一凸模的底面持平。
7.根据权利要求6所述的致密化方法，其特征在于所述的上模板下端面设有一连接块，该连接块底部形成一膨大的头部，所述的第一凸模上端部能套设于该连接块的头部上并能上下移动，一能拆卸的垫块套设于前述连接块上并上端面与下模板底面相抵，下端面与第一凸模的顶面相抵。
8.根据权利要求7所述的致密化方法，其特征在于所述的第一凸模顶面设有一限制第一凸模脱离连接块的固定板，而所述的垫块下端面则与固定板的上端面相抵。
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