CN103966542A - 铝硅/铝碳化硅复合材料及其制备方法、电子封装装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝硅/铝碳化硅复合材料及其制备方法、电子封装装置。该铝硅/铝碳化硅复合材料包括激光焊接层和铝碳化硅层，激光焊接层位于铝碳化硅层的上表层；激光焊接层为经喷射沉积形成的铝硅材料。本发明提供的复合材料通过在铝碳化硅材料表层同步集成具有良好激光焊接特性的喷射沉积铝硅层。由于喷射沉积得到的铝硅材料层氧含量≤1000×10^-6，硅相粒径小且彼此深度连接形成网状，提高了所得复合材料的激光焊接焊缝的稳定性，使其能满足微电路组件外壳材料的要求。

Description

铝硅/铝碳化硅复合材料及其制备方法、电子封装装置

技术领域

本发明涉及电子封装领域，特别地，涉及一种铝硅/铝碳化硅复合材料及其制备方法、电子封装装置。

背景技术

微电路组件壳体封装时所用材料需要能同时满足高热导率、低密度、膨胀系数与低温共烧陶瓷匹配、良好的机械性能与加工特性、良好的激光焊接特性等要求，才能使得封装后壳体可靠性有所保障。同时微电路组件壳体封装材料在生产过程中壳体底板的变形量不能大于0.10mm。现在该壳体封装材料主要采用铝合金、铜合金、柯伐合金、W/Cu合金等材料。但铝合金和铜合金膨胀系数过高，柯伐合金密度过大且热导率太低，而W/Cu合金虽然热导率和膨胀系数均较理想，但昂贵的价格和过高的密度，又使W/Cu合金难以满足微电路组件壳体封装材料的全部要求。

钟鼓，吴树森，万里等在发表于《材料导报》2008，22(2)：13-17的《高SiCp或高Si含量复合材料研究进展》中提到，高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料(本文中简称铝碳化硅材料)和喷射沉积高体积分数硅增强铝基复合材料(本文中简称喷射沉积铝硅材料)是新发展起来的两种新型复合材料，它们具有高热导率、低密度和热膨胀系数可设计等特点适于作为微电路组件的封装壳体材料。

现有技术中以硅-碳化硅层状预制件为原料，经真空压力浸渗制备得到的铝硅-铝碳化硅复合材料。但由于采用真空压力浸渗法得到的铝硅-铝碳化硅封装材料表层铝硅中的硅相表面存在氧化层，且所得铝硅材料中硅颗粒(光学显微镜组织如图1所示)粗大，存在很多粒径大于100μm的硅颗粒，硅颗粒表面的氧化层和粗大的硅颗粒，导致封装时盖板与壳体的焊缝可靠性不足，无法满足激光焊接的需要。

发明内容

本发明目的在于提供一种铝硅/铝碳化硅复合材料及其制备方法、电子封装装置，以解决现有技术中电子封装壳体与盖板通过激光焊接时焊缝不稳定的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铝硅/铝碳化硅复合材料，复合材料包括激光焊接层和铝碳化硅层，激光焊接层位于铝碳化硅层的上表层；其特征在于，激光焊接层为经喷射沉积形成的铝硅材料层。

进一步地，激光焊接层表面各硅颗粒之间连通且含氧量≤1000×10^-6；激光焊接层表面中硅颗粒粒径≤100μm。

进一步地，激光焊接层中硅的质量百分比≤55％。

根据本发明的另一方面还提供了一种上述铝硅/铝碳化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将喷射沉积制得的铝硅材料层置于碳化硅预制件顶面，得到复合预制件，并将复合预制件放入模具中在550℃～650℃下恒温预热2小时～3小时；

2)熔化铝合金；

3)抽真空后充惰性气体至压力为1.5MPa～2.0MPa下恒温恒压515分钟～15分钟后再增压至8MPa～12MPa，得到铝硅/铝碳化硅复合材料。

进一步地，碳化硅预制件通过干法模压法或粉末注射成型法制得，碳化硅预制件的密度为2.07g/cm³～2.35g/cm³。

根据本发明的另一方面还提供了一种电子封装装置，包括壳体和盖板，壳体包括底板和围绕底板设置的围栏，复合材料中，至少围栏为权利要求1至4中任一项的铝硅/铝碳化硅复合材料；

进一步地，壳体具有矩形结构；围栏的侧壁和底板为铝碳化硅层，壳体中，95mm<壳体内腔长度≤125mm，70mm<壳体内腔宽度≤85mm，2mm≤壳体底板的厚度≤3mm。

进一步地，作为围栏的铝硅/铝碳化硅复合材料的激光焊接层中含硅质量百分比为48％～55％，余量为铝。

进一步地，盖板包括：中间区域，由铝碳化硅材料形成；以及外围区域，环绕在中间区域的外周，并与围栏形成配合关系，外围区域由铝合金材料形成。

进一步地，盖板中的中间区域的铝碳化硅材料中SiC的体积百分比为65％～75％，余量为铝或铝合金。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的复合材料通过在铝碳化硅上同步集成具有良好激光焊接特性的喷射沉积铝碳化硅层。由于喷射沉积得到的铝硅材料层氧含量≤1000×10^-6，且硅颗粒粒径小且彼此深度连接形成网状，提高了所得复合材料的激光焊接焊缝的稳定性，使其能满足微电路组件壳体材料的要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是背景技术中铝硅-铝碳化硅复合材料中铝硅材料的光学显微组织图；

图2是本发明优选实施例的喷射沉积铝硅材料的光学显微组织图；

图3是本发明优选实施例的电子封装装置横截面示意图；

图4是本发明优选实施例的电子封装壳体立体示意图；

图5是本发明优选实施例所用真空压力渗透渗铝过程示意图；

图6是本发明优选实施例微组装工艺流程图；

图7是本发明优选实施例的电子封装壳体的俯视示意图；以及

图8是本发明优选实施例的电子封装壳体的侧视剖视示意图。

图例说明：

1、铝碳化硅层；11、壳体；12、围栏；13、底板；2、激光焊接层；3、芯片；4、盖板；41、外围区域；42、中间区域；5、低温共烧陶瓷基板；51、高温钎焊料；6、同轴连接件；7、低温钎焊料层；70、炉体；71、抽真空管；72、充惰性气体口；73、上室；74、下室；75、隔板；731、复合预制件；732、碳化硅预制件；733、模具；734、第一加热板；735、引液管；741、升降杆；742、铝液；743、坩埚；744、第二加热板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本文中电子封装装置是指安装集成电路内置芯片时所用的管壳，能起到安防固定密封，保护集成电路内置芯片的作用。

喷射沉积法得到的铝硅材料硅颗粒尺寸小，含氧量≤1000×10^-6，能提高激光焊接焊缝的稳定性。因而本发明通过采用喷射沉积法得到的铝硅材料作为激光焊接层，避免使用其他方法制备得到的铝硅材料表面的氧化层对激光焊接焊缝稳定性的影响。

本发明提供了一种铝硅/铝碳化硅复合材料，复合材料包括激光焊接层2和铝碳化硅层1，激光焊接层2位于铝碳化硅层1的上表层；激光焊接层2为经喷射沉积形成的铝硅材料层。

喷射沉积过程大体上可以分成金属熔体释放、液流雾化、雾化液滴飞行、雾滴沉积和沉积体凝固五个阶段，整个过程在惰性气氛下进行。在喷射沉积过程中，喷射沉积得到的铝硅以10²K/s～10⁴K/s的速度冷却。所制得的铝硅材料中硅相颗粒细小、组织均匀，能抑制高合金化材料中的宏观和微观偏析，有利于材料获得好的物理性能和力学性能。经过常规后续处理(如热等静压、热锻等)消除沉积过程中形成的少量疏松后，就得到致密的喷射沉积铝硅坯件。铝硅材料可以为市售的铝硅，但该铝硅必须为通过喷射沉积法制得。发明人通过对比实验发现在众多铝硅材料中，喷射沉积得到的铝硅材料具有良好的激光焊接特性，能保证焊缝在数十次的温度循环条件下稳定不开裂。

优选采购铝硅材料时还需通过光学显微镜筛选出铝硅材料各硅颗粒之间形成网络连接(如图2所示，为各凸起的硅颗粒的边缘相互融合连接，相比图1中硅颗粒的少量连接而言。)，各硅颗粒粒径≤100μm，同时还要测定铝硅材料中氧含量≤1000×10^-6，才可以作为激光焊接层使用。之后根据激光焊接层的尺寸加工。喷射沉积铝硅材料采用电感耦合等离子光谱分析仪测量，其氧含量≤1000×10^-6，表明喷射沉积所得铝硅材料硅相表面几乎无氧化膜层。喷射沉积法制得的铝硅材料由于其细小的硅颗粒和无表面氧化层，因而具有优良的激光焊接特性，适于作为激光焊接层使用。

铝碳化硅层1可以为常用的铝碳化硅材料，优选采用SiC的体积百分比为65％～75％，余量为铝或铝合金的铝碳化硅材料。该铝碳化硅材料的膨胀系数与激光焊接层2铝硅材料的膨胀系数相匹配，使得组装电子元器件时，壳体11变形小，耐受极端环境能力强。

复合材料起到容纳和保护电路板等电子元件的作用，而激光焊接层则起到将复合材料与其他材料连接的作用，因而将激光焊接层设置于铝碳化硅层1的上表层。

喷射沉积铝硅材料的膨胀系数随其中硅含量的增加而逐渐减小，弹性模量逐渐增大，熔点逐渐增大，材料断裂韧性逐渐减小，激光焊接特性逐渐变差。当喷射沉积铝硅中硅的质量百分比超过55％时，激光焊接时焊缝处易产生裂纹，且在使用过程中激光焊缝处易产生裂纹。因而优选作为激光焊接层2使用的喷射沉积铝硅中硅的质量百分比≤55％。

本发明的另一发明还提供了复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将喷射沉积制得的铝硅材料层置于碳化硅预制件顶面，得到复合预制件731，并将复合预制件放入模具中在550℃～650℃下恒温预热2小时～3小时；

2)熔化铝合金得到铝液742；

3)抽真空后充惰性气体至压力1.5MPa～2.0MPa下恒温恒压5分钟～15分钟后再降温增压至8MPa～12MPa，得到铝硅/铝碳化硅复合材料。

该方法通过真空压力浸渗炉来进行。真空压力浸渗炉结构参见图5，真空压力浸渗炉包括炉体70和安装于炉体70顶部的抽真空管71和充惰性气体口72。炉体70内壁中间安装隔板75。隔板75将炉体70内腔分割为上室73和下室74。隔板75中间断开，隔板75的内壁边缘处安装有第一加热板734。第一加热板734内放置不锈钢的模具733。模具733为顶端封闭，底部中心处设有开口的内部空腔结构。模具733中放入复合预制件731。复合预制件731由碳化硅预制件732和覆盖于碳化硅预制件732凸缘四周的激光焊接层2组成。碳化硅预制件732的底面卡接于模具733的底面内侧。模具733底部所设开口内安装有引液管735。引液管735从模具733底部向下室74延伸。下室74底面上安装升降杆741。升降杆741顶面的平台上放置坩埚743。坩埚743内盛放铝液742。坩埚743的外侧围绕设置第二加热板744。第二加热板744安装于升降杆741顶面的平台上。升降杆741可携带处于其平台上的坩埚743和铝液742向引液管735移动。

制备复合材料时首先按上述位置，将复合预制件731放置到模具733中。打开第一加热板734加热上室73，使复合预制件731在550℃～650℃下恒温预热2小时～3小时，起到活化激光焊接层2相接界面上原子的作用，提高反应活性，为后续同步集成扩散做好准备。与此同时，打开第二加热板744加热下室74，在700℃～850℃下恒温2小时～3小时将坩埚743中的铝合金或铝金属熔化得到铝液742。通过抽真空管71将炉体70抽至真空度≤500Pa，防止激光焊接层2与铝碳化硅层1相接界面形成氧化膜。之后用升降杆741抬升坩埚743，并同时充入惰性气体至炉体70内压力达到1.5MPa～2.0MPa，并恒温恒压5分钟～15分钟。通过预先加压至一个较小的压力值，能提高激光焊接层2与铝碳化硅层1之间的连接界面稳定性，防止漏气的发生。如果直接增压至10MPa则无法保证铝硅激光焊接层与铝碳化硅层之间的界面在使用过程中气密性良好。惰性气体可以为常用惰性气体如氮气、氩气、氦气等。再关闭第一加热板734和第二加热板744。并继续充入惰性气体，炉体70内增压至8MPa～12MPa。使得铝液742在压力作用下经引液管735流入模具733中。在压力作用下，铝液742通过扩散进入碳化硅预制件732的空隙中，制得铝碳化硅层1。与此同时，铝液742与铝硅激光焊接层2产生溶解和扩散。通过按上述条件控制复合预制件731的预热温度、铝液742的温度、炉体70内压力和铝液742与激光焊接层2的接触时间等，使碳化硅预制件732和激光焊接层2连接界面处激光焊接层2和铝碳化硅层1中的铝基体形成连续分布相，从而使铝硅激光焊接层2与铝碳化硅层1的界面上形成冶金结合。因此采用上述方法制备得到的复合材料，激光焊光层2与铝碳化硅层1的连接稳固，加工过程中变形量小。采用上述方法还能将铝碳化硅层1的制备和激光焊接层2与铝碳化硅层1的连接同步完成，提高生产效率，避免使用价格较高的金锡或金锗等钎料，降低了生产成本，提高喷射沉积铝硅材料和铝碳化硅材料结合界面处的气密性和可靠性。

渗透完成后，复合材料随炉冷却后去除模具733得到铝硅/铝碳化硅复合材料。

通过试验发现，喷射沉积得到的铝硅即使采用上述方法进行同步集成，铝硅材料中的硅颗粒仍保持细小状态，不影响该铝硅材料所具有的良好激光焊接特性。

碳化硅预制件732可以通过常用的干法模压方法或粉末注射成型方法制得，所制得碳化硅预制件732的密度为2.07g/cm³～2.35g/cm³。此密度的碳化硅预制件732制得的铝碳化硅层1能满足微电子焊接对壳体11变形的要求，同时能满足电子封装对壳体11密度不能过高的要求。

本文中铝合金可以为Al-Si系铸造合金，如ZL101，ZL102等；也可以为6000系变形铝合金，如6063等；还可以为3000系变形铝合金，如3003等。

铝硅/铝碳化硅复合材料的加工方法可以为电火花线切割、金刚石砂轮磨削、聚金刚石刀具铣削、表面镀覆等手段。

以碳化硅原料为起始物料直到完成微组装，工艺流程图如图6所示。本文中微组装是指微电子封装技术，即利用钎焊技术及微细连接技术，将半导体元器件及其它构成要素在框架和基板上布置固定及连接，引出接线端，并通过激光焊接工艺将壳体与盖板进行连接，构成整体结构的工艺。

1)称取碳化硅颗粒A(平均粒径：80μm)∶碳化硅颗粒B(平均粒径：14μm)∶聚乙烯醇溶液∶磷酸二氢铝按重量比为70∶30∶4.5∶2，用搅拌捏合机混合1小时后造粒，在压力为100MPa下加压成型制成碳化硅素坯，经3℃/分钟速率升至800℃恒温1.5小时烧结后得到碳化硅预制件732，采用线切割工艺加工出激光焊接层2；

2)采用上述真空气压渗透方法制得铝硅/铝碳化硅复合材料；

3)对所得复合材料进行机械加工获得所需形状的外壳并进行外壳表面的镀覆处理；

4)将低温共烧陶瓷基板、芯片和同轴连接件等微组装至外壳中；

5)激光焊接盖板4和外壳，得到微电子组件。

以上步骤均按常规工艺进行。盖板与外壳的激光焊接典型工艺如下：脉冲频率22Hz，功率150W，峰值电流230A，焊接速度150mm/min，光斑重叠率88～92％。采用该工艺进行激光焊接能使得焊缝的熔合强度较高。

本发明的另一方面还提供了一种电子封装装置，该电子封装装置包括壳体11和盖板4，壳体11包括底板13和围绕底板13设置的围栏12，复合材料中，至少围栏12上述的铝硅/铝碳化硅复合材料；壳体11具有矩形结构；围栏12的底部和底板13的为铝碳化硅。

为了使处于复合材料底部的铝碳化硅层1发挥容纳电路板的作用，复合材料制成壳体11时可以为任意常用的能容纳电子元器件的壳体11构造。优选复合材料作为壳体11使用时的结构如图3所示，铝碳化硅层1向内凹陷形成壳体11。铝碳化硅层1突起的四周形成围栏12。铝碳化硅层1的底部形成壳体的底板13。组装集成电路内置芯片时，底板13的内表面上安装低温共烧陶瓷基板5。低温共烧陶瓷基板5的顶面上设置多个高温钎焊料51。芯片3分别安装于高温钎焊料51上焊接上。围栏12的侧壁上设置多个，同轴连接件6插设于通孔中。同轴连接件6的外表面通过低温钎焊料层7与通孔内壁焊接。围栏12的顶面上设置激光焊接层2。以低温钎焊料层7、高温钎焊料51中所用高温钎焊料和低温钎焊料可以互换，按常规方法使用即可。

当需要密封电子元器件时，盖板4将壳体11的开口端面盖住。盖板4可以为任意常用的电子封装盖板。该盖板可以为任意与激光焊接层2具有良好焊接特性的材料，如铝硅或铝碳化硅等。为确保微电子组件底面不变形，优选选用盖板4由外围区域41和中间区域42组成的盖板，外围区域41环绕在中间区域42的外周，并与围栏12形成配合关系，外围区域41由铝合金材料形成。中间区域42由铝碳化硅材料形成。对于该盖板4的制备方法和相关说明可参见CN2789930Y中公开的内容。

组件功能调试完毕后采用激光焊接将盖板4焊接至激光焊接层2上封闭壳体11。

如果封装过程中壳体11变形过大，壳体11在后续使用过程中不能适应极端的工作环境对封装装置稳定性的要求。因而当将该复合材料用作微电路组件壳体11封装材料时，需保证生产过程中壳体11的底板13的变形量≤0.10mm。本发明通过控制壳体11的尺寸，采用不同膨胀系数的铝碳化硅材料与激光焊接层2及盖板4进行匹配，从而将封装壳体11的整个过程中底板13的变形量≤0.10mm。通过试验发现当壳体11的内部腔体的长度和宽度的增加时，激光焊接层2与铝碳化硅层1之间的膨胀系数差值需逐渐减小，才能将生产过程中壳体的底板13的变形量控制在0.10mm以内。壳体具有矩形结构。此处的具有矩形结构是指壳体内腔可以由多个形状各异的矩形拼接而成。或者可以包括台阶等结构。只要壳体的内腔具有最长边作为长，最短边作为宽即可。举例说明，如图7和8所示，其中壳体内腔的长是指L所表示的长度，壳体内腔的宽为W所表示的长度。底板的厚度为H所表示的长度。

优选95mm<壳体内腔长度≤125mm，70mm<壳体内腔宽度≤85mm，2mm≤壳体内腔底板的厚度≤3.0mm，对应的激光焊接层中喷射沉积铝硅中的硅含量质量百分比为48％～55％，余量为铝。盖板4为前述铝合金/铝碳化硅复合盖板。采用该组合的电子封装壳体再配合上SiC的体积百分比为65％～75％的铝碳化硅材料，能进一步的降低壳体11封装过程中的变形量。最优效果能达到微电路组件生产过程中壳体的底板13的变形均≤0.10mm。

优选喷射沉积铝硅作为激光焊接层的厚度为0.8mm～1.6mm，这样才能保证微电路组件生产调试过程中激光焊接层能承受三次开盖处理，不会由于多次开盖导致激光焊接层过薄而无法继续焊接。

优选壳体的底板13的铝碳化硅和盖板4中间部分的铝碳化硅中碳化硅的质量百分比均为65～75％，余量为铝或铝合金。铝碳化硅的膨胀系数随其中碳化硅含量的增加而逐渐减小。铝碳化硅层1的内腔可以通过任意常用成型方法制得，如机械切削或近净成型。优选对铝碳化硅层1的内腔采用近净成型，因铝碳化硅硬度较高，对机械加工过程中的刀具磨损严重，不适于机械加工。采用近净成型则能减少铝碳化硅层1加工过程中对刀具的损耗。

实施例

以下实施例中所用物料均为市售。市售喷射沉积法制得的铝硅材料，需经光学显微镜检测确定各硅颗粒之间形成网络连接，硅相颗粒尺寸≤100μm且含氧量≤1000×10^-6方能使用。

实施例1

1)碳化硅预制件的制备

称取碳化硅颗粒A(平均粒径：80μm)70g和碳化硅颗粒B(平均粒径：14μm)30g、聚乙烯醇溶液20g以及磷酸二氢铝4.5g，用搅拌捏合机混合1小时后造粒，在压力为100MPa下加压成型制成105mm×74mm×10mm尺寸的碳化硅素坯，经3℃/分钟速率升至800℃恒温1.5小时烧结后得到碳化硅预制件，其密度为2.07g/cm³。采用数控铣在105mm×74mm平面铣削加工出96mm×74mm×1mm凹槽。

2)激光焊接层的制备

将市售喷射沉积铝硅材料(经检测，硅的质量百分比含量为48％，硅颗粒粒径平均约为90μm，含氧量为800×10^-6)加工成95.6mm×73.6mm×0.95mm板料。将其置于上述碳化硅预制件凹槽中装配到不锈钢模具中。

3)电子封装材料的制备

在真空压力浸渗炉中，首先将上述不锈钢模具置于真空压力浸渗炉的上室中并预热至600℃恒温3小时，采用6063铝合金作为基体，放入真空压力浸渗炉的下室坩埚中预热至850C恒温3小时；其次抽真空至400Pa时，抬升坩埚后关闭真空高压截止阀，再充入氮气使得真空压力浸渗炉内压力为1.5MPa并恒压恒温5分钟，最后关闭上下室电源，继续充入高纯氮气升压至12MPa，不锈钢模具随炉冷却后取出，开模后获得喷射沉积铝硅/铝碳化硅电子封装材料坯件。经机械加工后得到喷射沉积铝硅/铝碳化硅电子封装材料，其长度为104mm，宽度为73mm，厚度为9.5mm。铝碳化硅材料中SiC的质量百分比为65％，余量为铝合金。

4)性能检测

用膨胀仪按常规方法测量铝碳化硅样品(尺寸为：φ4.5mm×25mm)室温至125℃时的膨胀系数。

用激光导热系数测量仪按常规方法测量铝碳化硅(尺寸为：φ12.7mm×3mm)室温的热导率。

用氦谱检漏仪测量铝碳化硅(尺寸为：15mm×10mm×1.5mm)的致密性。

用电子万能试验机采用三点弯曲的方法测定铝碳化硅试样的抗弯强度，试样数量为12件，尺寸为4mm×3mm×40mm，跨距为30mm，压头位移速度为1mm/分钟。

用光学显微镜观察激光焊接层2与铝碳化硅层界面的结合情况。铝碳化硅材料的各项性能结果和界面结果情况如表1所示。

表1电子封装材料的铝碳化硅材料性能和界面结合情况

*冶金结合：界面层金属之间彼此相溶。

实施例2

1)碳化硅预制件制备

称取碳化硅颗粒A(平均粒径：80μm)68g和碳化硅颗粒B(平均粒径：14μm)32g、聚乙烯醇溶液20g以及磷酸二氢铝4.5g，用搅拌捏合机混合1小时后造粒，在压力为100MPa下加压成型制成120mm×85mm×11mm尺寸的碳化硅素坯，经3℃/分钟速率升至800℃恒温1.5小时烧结后得到碳化硅预制件，其密度为2.15g/cm³。采用数控铣在120mm×85mm平面铣削加工出110mm×85mm×1.2mm凹槽。

2)激光焊接层的制备

将市售喷射沉积铝硅材料(硅的质量百分比含量为50％，硅颗粒粒径平均约为80μm，含氧量为800×10^-6)加工成109.4mm×84.4mm×1.2mm板料，并将其置于上述碳化硅预制件凹槽的四周凸起的表面然后装配到不锈钢模具中。

3)电子封装材料的制备

在真空压力浸渗炉中，首先将上述不锈钢模具置于上室并预热至630℃恒温2.5小时，采用3003铝合金作为基体，放入下室坩埚中预热至800℃恒温2.5小时；其次抽真空至100Pa时，抬升坩埚后关闭真空高压截止阀，再充入高纯氮气到2MPa恒压并恒温10分钟，最后关闭上下室电源，继续充入高纯氮气至12MPa，不锈钢模具随炉冷却后取出，开模后获得喷射沉积铝硅/铝碳化硅电子封装材料。按产品要求，经磨削、数控铣等机械加工和表面镀覆后得到喷射沉积铝硅/铝碳化硅壳体，其中壳体内腔长度为104mm，内腔宽度为80mm，内腔底厚为3.0mm，喷射沉积铝硅层厚度为1.0mm。铝碳化硅材料中SiC的质量百分比为70％，余量为铝。激光焊接层中含硅质量百分比为52％，余量为铝。

4)盖板的制备及微电子组件的组装

采用CN2789930Y制备加工尺寸为106mm×82mm×1.0mm的铝合金/铝碳化硅复合盖板。

按照微组装工艺将低温共烧陶瓷基板、芯片、同轴连接件进行组装获得微电子组件。

5)性能检测

经过组装后壳体变形量为0.06mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，壳体变形量为0.07mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为3.8×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。在-65℃～85℃区间经过100次温度循环后，壳体变形量为0.09mm，再按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.3×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例3

1)碳化硅预制件的制备

称取碳化硅颗粒A(平均粒径：80μm)70g、碳化硅颗粒B(平均粒径：14μm)21g和碳化硅颗粒C(平均粒径2μm)9g、聚乙烯醇溶液20g以及磷酸二氢铝4.5g，用搅拌捏合机混合1小时后造粒，在压力为100MPa下加压成型制成105mm×75mm×11mm尺寸的平板状碳化硅素坯，经3℃/分钟速率升至800℃恒温1.5小时烧结后得到碳化硅预制件。密度为2.35g/cm³。经数控铣削加工获得碳化硅壳体预制件。

2)激光焊接层的制备

将市售喷射沉积铝硅(硅的质量百分比为52％，硅颗粒粒径平均约为70μm，含氧量为1000×10^-6)加工成外环尺寸为100.4mm×75mm，内环尺寸为95.2mm×70.2mm，厚度为1.6mm的焊接层材料，并将其置于上述碳化硅预制件凹槽表面然后装配到不锈钢模具中。

3)电子封装材料的制备

在真空压力浸渗炉中，首先将上述不锈钢模具置于上室并预热至700℃恒温2小时，采用ZL101铝合金作为基体，放入下室坩埚中预热至650℃恒温2小时；其次抽真空至200Pa时，抬升坩埚后关闭真空高压截止阀，再充入高纯氮气到2MPa恒压并恒温15分钟，最后关闭上下室电源，继续充入高纯氮气至8MPa，不锈钢模具随炉冷却后取出，开模后获得喷射沉积铝硅/铝碳化硅电子封装材料。

按产品要求，经磨削、数控铣等机械加工和表面镀覆后得到电子封装壳体，其内腔长度为96mm，内腔宽度为71mm，内腔底厚为2.0mm，喷射沉积铝硅层厚度为1.4mm。激光焊接层中含硅质量百分比为48％，余量为铝。

4)盖板的制备及微电子组件的组装

采用CN2789930Y公开的方法制备加工尺寸为98mm×73mm×1.2mm的铝合金/铝碳化硅复合盖板。

按照微组装工艺将低温共烧陶瓷基板、芯片、同轴连接件进行组装获得微电子组件。

5)性能检测

经过组装后壳体变形量为0.05mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，壳体变形量为0.07mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为3.3×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。在-65℃～85℃区间经过100次温度循环后，壳体变形量为0.08mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为3.6×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例4

1)碳化硅预制件的制备

采用注射成型工艺制备如图4所示的碳化硅预制件素坯，其外形尺寸为130mm×90mm×11mm，凹槽处尺寸为127mm×90mm×1.3mm，经脱脂烧结后得到碳化硅预制件，其密度为2.16g/cm³。

2)激光焊接层的制备

将市售喷射沉积铝硅(硅的质量百分比为55％，硅颗粒粒径平均约为60μm，含氧量为920×10^-6)加工成外环尺寸为126.5mm×89.5mm，内环尺寸为124.2mm×84.2mm，厚度为1.3mm的焊接层材料，并将其置于上述碳化硅预制件凹槽表面然后装配到不锈钢模具中。

3)电子封装材料的制备

在真空压力浸渗炉中，首先将上述不锈钢模具预热680℃并恒温2.5小时，采用ZL102作为基体，放入下室坩埚中预热至740℃并恒温2.5小时；其次抽真空至100Pa时，用升降杆抬升坩埚后关闭真空高压截止阀，再充入高纯氮气到1.8MPa恒压并恒温7分钟，最后关闭上下室电源，继续充入高纯氮气至10MPa，不锈钢模具随炉冷却后取出，开模后获得喷射沉积铝硅/铝碳化硅电子封装材料。

按产品要求，经磨削、数控铣等机械加工和表面镀覆后得到电子封装壳体，其内腔长度为125mm，内腔宽度为85mm，内腔底厚为3.0mm，喷射沉积铝硅层厚度为1.1mm。铝碳化硅材料中SiC的质量百分比为72％，余量为铝或铝合金。激光焊接层中含硅质量百分比为50％，余量为铝。

4)盖板的制备及微电子组件的组装

采用CN2789930Y公布的方法制备加工尺寸为127mm×87mm×1mm的铝合金/铝碳化硅复合盖板。

按照微组装工艺将低温共烧陶瓷基板、芯片、同轴连接件进行组装获得微电子组件。

5)性能检测

经过组装后壳体变形量为0.07mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，组件变形量为0.09mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.5×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例5

与实施例4的区别在于喷射沉积铝硅中硅的质量百分为55％。

经过组装后壳体变形量为0.07mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，组件变形量为0.09mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.5×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例6

与实施例4的区别在于激光焊接层厚度为0.8mm。

经过组装后壳体变形量为0.07mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，组件变形量为0.09mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.5×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例7

与实施例4的区别在于步骤3)中不锈钢模具升温至550℃下恒温3小时。

经过组装后壳体变形量为0.07mm，再用激光焊接工艺将电子封装材料壳体与铝合金/铝碳化硅复合盖板焊接，组件变形量为0.09mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.5×10^-2(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005技术要求。

实施例8

与实施例3的区别在于步骤3)中充氮气时首先将炉体内的压力增加至2.0MPa并恒压5分钟。经过组装后壳体变形量为0.05mm，采用激光焊接工艺将壳体与盖板焊接，壳体变形量为0.08mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.2×10^-3(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005≤5.0×10^-3(Pa.cm³)/s技术要求。

实施例9

与实施例1的区别在于步骤3)中所用基体为纯铝。

经过组装后壳体变形量为0.05mm，采用激光焊接工艺将壳体与盖板焊接，壳体变形量为0.08mm，按GJB548B-2005方法1014.2A1检测气密性，其值为4.2×10^-3(Pa.cm³)/s，符合GJB548B-2005≤5.0×10^-3(Pa.cm³)/s技术要求。

比较例1

与实施例2的区别在于未设置激光焊接层。

组装后壳体变形量为0.12mm，不符合微电路组件使用要求。

比较例2

与实施例2的区别在于在步骤3)中未抽真空也未充氮气加压。在常压下完成。按GJB548B-2005方法1014.2A4检测气密性，其值为6.3×10^-3(Pa.cm³)/s，不符合GJB548B-2005气密性应≤5.0×10^-3(Pa.cm³)/s技术要求，表明激光焊接层与铝碳化硅层界面处结合不良，存在缝隙。

比较例3

与实施例3的区别在于在步骤3)未先增压至1.8MPa，而是直接充氮气增压至10MPa。按GJB548B-2005方法1014.2A4检测气密性，其值为9.2×10^-3(Pa.cm³)/s，不符合GJB548B-2005应≤5.0×10^-3(Pa.cm³)/s技术要求，表明喷射沉积铝硅/铝碳化硅界面处结合不良。

由以上实施例所得结果可知，按本发明提供的方法以喷射沉积制得的铝硅作为激光焊接层，能提高所得电子封装的气密性、降低变形量，盖板与壳体的焊缝稳定可靠，在-65℃～85℃区间经过100次温度循环后，壳体变形量为0.08mm。由对比例1可知，如果不是在喷射沉积得到的铝硅作为激光焊接层，则组装后的器件变形量过大，无法满足微电子封装的需要。由对比例2～3可知，如果不按本发明提供的方法进行真空渗透，所得电子封装材料的激光焊接层与铝碳化硅层的连接界面上存在裂痕，影响材料的可靠性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝硅/铝碳化硅复合材料，所述复合材料包括激光焊接层和铝碳化硅层，所述激光焊接层位于所述铝碳化硅层的上表层；其特征在于，所述激光焊接层为经喷射沉积形成的铝硅材料。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述激光焊接层硅相之间连通且含氧量≤1000×10^-6；所述激光焊接层硅相粒径≤100μm。

3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，所述激光焊接层中硅的质量百分比≤55％。

4.一种权利要求1～3中任一项所述铝硅/铝碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将喷射沉积制得的铝硅材料层置于碳化硅预制件顶面，得到复合预制件，并将所述复合预制件放入模具中在550℃～650℃下恒温预热2小时～3小时；

2)熔化铝合金；

3)抽真空后充惰性气体至压力为1.5MPa～2.0MPa下恒温恒压5分钟～15分钟后再增压至8MPa～12MPa，得到所述铝硅/铝碳化硅复合材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳化硅预制件通过干法模压法或粉末注射成型法制得，所述碳化硅预制件的密度为2.07g/cm³～2.35g/cm³。

6.一种电子封装装置，包括壳体和盖板，所述壳体包括底板和围绕底板设置的围栏，其特征在于，所述复合材料中，至少所述围栏为权利要求1至3中任一项所述的铝硅/铝碳化硅复合材料。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述壳体具有矩形结构；所述围栏的侧壁和所述底板为铝碳化硅层；所述壳体中，95mm<所述壳体内腔长度≤125mm，70mm<所述壳体内腔宽度≤85mm，2mm≤所述壳体内腔底板的厚度≤3mm。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，作为所述围栏的铝硅/铝碳化硅复合材料的激光焊接层中含硅质量百分比为48％～55％，余量为铝。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的装置，其特征在于，所述盖板包括：

中间区域，由铝碳化硅材料形成；以及

外围区域，环绕在所述中间区域的外周，并与所述围栏形成配合关系，所述外围区域由铝合金材料形成。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述盖板中的铝碳化硅材料中SiC的体积百分比为65％～75％，余量为铝或铝合金。