CN104141086B - 一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其由以下合金元素组合而成（质量百分比）：硅铝合金：85~95%，磷：0.3~0.9%，锶：0.3~0.9%，硼：0.1~1.5%，镁：1.0~3.5%，铜：1.0~5.0%，铌：0.5~5.0%，钼：0.5~5.0%，稀土：0.02~0.2%。本发明针对熔炼铸造法设计了的合金成分配方，以该成分配方，再辅以加压成型铸造工艺，就可以获得合格的硅铝合金电子封装材料。相比于现有方法，本发明最大的优势和优点有两点：一是工艺简化，成型效率高；二是成本大大降低，对应于相同的产量，本发明成本只相当于喷射成型方案的三分之一以下。

Description

一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金

技术领域

本发明涉及一种合金，尤其涉及一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金。

背景技术

近年来，随着电子封装行业向高密度、高功率方向发展，开发具有良好导热能力的材料，同时又能满足热膨胀性能的要求成为当务之急。电子封装作为微电路器件的一个必不可少的组成部分，起着电路支撑、密封、散热和屏蔽等作用，对电路的性能和可靠性具有重要影响。

硅铝合金作为一种新型封装材料，由于其密度小(2.4-2.6g/cm³)，热膨胀系数低(6.8-11×10^-6K)，热传导性好(120-150W/(m.K))，容易加工成所需形状，易于电镀和涂装，同时能够满足航空航天设备和移动、计算通讯设备轻量化的要求。此外，该材料具有足够的强度和刚度，能够用传统工艺方法进行机械加工和电镀涂装，因此具有广阔的应用前景。

用于电子封装材料的硅铝合金（或称超高硅铝合金），主要由硅和铝两种元素构成，但其中为了提高性能，还会添加其他的一些元素，如磷、镁等，这些元素的含量较少，占总量的5%以下。然而，硅铝合金由于含有大量的硅，使其冶金和凝固特性变得很差，因此用传统的铸造方法生产的情况下，材料铸锭内部的硅相尺寸粗大、会存在大量显微缩孔、缩松，而且材料性能变脆、韧性差，不能满足电子封装的需求。因此在生产电子封装用超高硅铝合金时，控制硅相尺寸和促进致密化是两个最重要的目标。

生产硅铝电子封装材料的方法，总体来说分成三种：即粉末冶金法、喷射成型法、熔炼铸造法。前两种都存在成本高昂、生产效率低等问题。第三种的熔炼铸造法，理论上可以实现低成本、高效率的生产，然而对于合金成分、铸造工艺条件要求很高，否则很难得到微观组织细小、致密的合格材料。这也是传统的铸造方法不适用的原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金。该合金成分适用于半固态（压力）铸造、挤压铸造、流变（压力）铸造方法，可有效抑制凝固过程中硅相的长大，并有利于最终形成致密的显微合金组织，获得优质电子封装材料坯锭。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，由以下合金元素组合而成（质量百分比）：硅铝合金：85~95%，磷：0.3~0.9%，锶：0.3~0.9%，硼：0.1~1.5%，镁：1.0~3.5%，铜：1.0~5.0%，铌：0.5~5.0%，钼：0.5~5.0%，稀土：0.02~0.2%；硅铝合金中，硅：50~70%，铝：30~50%。

本发明通过合金化的方法，除硅、铝两种合金元素以外，又增加了磷(P)、锶(Sr)、硼(B)、镁(Mg)、铜(Cu)、铌(Nb)、钼(Mo)、稀土（Re）等八种合金元素，它们在其中有的起到变质、抑制硅相长大的作用（磷、锶），有的起到促进形核质点、细化组织的作用（硼），有的起到阻断、分断硅相长大作用（铌、钼），有的起到强化基体、提高材料强度作用（镁、铜），有的起到破坏硅相连续长大，提高合金液流动性、使硅相球化的作用（稀土）。本发明中硅、铝两种元素含量约占90-95%，其他八种元素的含量总和约占5-10%。并且，铌、钼、硼三种高熔点元素在熔炼过程中以粉末的形式的加入，镁、铜两种元素以块状，磷在熔炼后期以铝-磷中间合金方式加入，锶、稀土以铝板包覆的形式后期加入。本发明通过熔炼铸造方法的试验摸索，优化出了这些元素的合理含量范围，形成了优化的成分配方。该配方在熔炼铸造的条件下，可获得良好的合金显微组织和性能。

本发明针对熔炼铸造法设计了的合金成分配方，以该成分配方，再辅以加压成型铸造工艺，就可以获得合格的硅铝合金电子封装材料。相比于现有方法，本发明最大的优势和优点有两点：一是工艺简化，成型效率高；二是成本大大降低，对应于相同的产量，本发明成本只相当于喷射成型方案的三分之一以下。

附图说明

图1为只采用0.5%磷变质的硅铝合金（含硅量50%）显微组织，图中标尺为100μm；

图2为采用本发明配方的硅铝合金（含硅量50%）显微组织，图中标尺为100μm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种合金成分配方。其中的硅、铝为基本组元，磷、锶、硼、镁、铜为一般添加组元，铌、钼为独有添加组元。

一、各合金组元的作用：

硅、铝两种组元作为电子封装材料的基础组元，其中的硅热膨胀系数为4.1×10^-6/K，铝的热膨胀系数为23×10^-6/K。二者构成合金，主要靠硅降低和中和铝的热膨胀系数，根据硅、铝两种组元的混合比例不同，最终硅铝合金的热膨胀系数在6-17×10^-6/K范围内变动，这也称为“膨胀系数可调节”。

磷、锶组元其主要作用是变质作用，抑制硅相的长大，防止组织中过度粗大的硅相出现。

硼具有孕育作用，硼粒子质点作为形核核心，可以细化晶粒。

镁、铜组元属合金强化元素，镁与硅形成镁二硅（Mg₂Si）强化相；铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，时效析出的CuAl₂有着明显的时效强化效果。

铌、钼作为高熔点组元，在凝固过程中起到阻断硅、分割相长大作用，铌还可与硅形成高温稳定的NbSi₂相。阻碍硅相连续长大。

稀土元素具有去脱氧，促进硅相球化的作用。

二、上述合金成分在熔炼过程中的加入顺序为：

（1）在中频电炉内，硅块、铝锭同时熔炼至熔融状态；

（2）加入铜、硼；

（3）加入粉末状的铌、钼；

（4）出炉前，合金液处理阶段，加入磷、锶、镁及稀土，其中磷以铝-磷中间合金方式加入，锶、镁、稀土以铝板包覆方式加入。

三、金相组织对比图

当只采用0.5%磷变质硅铝合金（Si50Al50）时，其典型的微观组织如图1所示。可见其内部存在有粗大硅相，硅相尺寸远远超过100微米，这样的组织不适合于电子封装材料应用。

当采用本发明的某一成分时，具体为：硅铝合金（含有50%硅、50%铝，表示为Si50Al50）含量占93.35%，添加其他元素含量为：Mg：2.5%、Cu：1.0%、B：0.1%、P：0.5%、Nb：1.0%、Mo：1.0%、Sr：0.5%、Re：0.05%时，获得了如图2所示的典型微观组织。组织中硅相尺寸大大降低到100微米以下。这样的组织可以满足电子封装材料的需要。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述配方为：Si60Al40：89.55%、Mg：3.0%、Cu：1.5%、B：1.2%、P：0.3%、Nb：2.0%、Mo：1.5%、Sr：0.8%、Re：0.15%。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述配方为：Si70Al30：85.8%、Mg：1.5%、Cu：3.5%、B：0.6%、P：0.8%、Nb：3.5%、Mo：4.0%、Sr：0.2%、Re：0.1%。

Claims (5)

1.一种适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其特征在于所述合金由以下合金元素组合而成（质量百分比）：硅铝合金：85~95%，磷：0.3~0.9%，锶：0.3~0.9%，硼：0.1~1.5%，镁：1.0~3.5%，铜：1.0~5.0%，铌：0.5~5.0%，钼：0.5~5.0%，稀土：0.02~0.2%。

2.根据权利要求1所述的适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其特征在于所述硅铝合金中，硅：50~70wt.%，铝：30~50wt.%。

3.根据权利要求1所述的适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其特征在于所述合金由以下合金元素组合而成（质量百分比）：Si50Al50：93.35%、Mg：2.5%、Cu：1.0%、B：0.1%、P：0.5%、Nb：1.0%、Mo：1.0%、Sr：0.5%、Re：0.05%。

4.根据权利要求1所述的适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其特征在于所述合金由以下合金元素组合而成（质量百分比）：Si60Al40：89.55%、Mg：3.0%、Cu：1.5%、B：1.2%、P：0.3%、Nb：2.0%、Mo：1.5%、Sr：0.8%、Re：0.15%。

5.根据权利要求1所述的适合于熔炼铸造法生产硅铝合金电子封装材料的合金，其特征在于所述合金由以下合金元素组合而成（质量百分比）：Si70Al30：85.8%、Mg：1.5%、Cu：3.5%、B：0.6%、P：0.8%、Nb：3.5%、Mo：4.0%、Sr：0.2%、Re：0.1%。