CN105081166B - 金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，本发明涉及金属基复合材料模锻成形工艺方法，金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一：制备坯料：通过半固态搅拌铸造法制备Xvol％SiC/Al的第一复合材料坯料通过半固态搅拌铸造法制备Yvol％SiC/Al的第二复合材料坯料，通过粉末双向压制工艺方法制备Zvol％SiC/Al的第三复合材料坯料，通过粉末双向压制工艺方法制备Wvol％SiC/Al的第四复合材料坯料；步骤二：组装坯料；步骤三：坯料装填；步骤四：对坯料进行加热；步骤五：模锻加压；本发明用于金属基复合材料模锻成形工艺方法领域。

Description

金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料模锻成形工艺方法，具体涉及金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法。

背景技术

近年来，制备高SiC含量的铝基复合材料吸引全世界范围内材料工作者的注意。与传统的金属和合金相比，高SiC含量的铝基复合材料具有高的比强度、比弹性模量、低膨胀、高导热，原材料价格不到钨铜合金的l/10，重量也及其1/5，而且性能可任意剪裁等一系列优点。例如它可以同时具有高弹性模量(可超过20OGPa,与钢材相当)！超高的比模量(接近铝合金、钛合金的3倍)和很高的热导率、极低的热膨胀系数(可与陶瓷相当)。因此，目前高体分率的SiC/Al金属基复合材料已经成为电子封装第三代的代表。

SiCp/Al电子封装材料经过十多年的研究和发展已经开始从试验阶段步入实用阶段，主要应用于军用电子产品，包括军用混合电路(HIC)、微波管的载体、多芯片组(MCM)的热沉和超大功率模块(IGBT)的封装均取得较好的效果。在高性能飞机的相控阵雷达中使用SiCp/Al复合材料封装后,电路的体积和重量大幅度减小，并提高了可靠性。美国在多个军事工程，特别是航空航天中已规模化使用这种SiC/Al复合材料，例如在F-22“猛禽”战斗机上，大量采用该材料作为印刷电路板板芯，电子设备基座及外壳。另外，应用该材料的先进航空航天器还包括F-19“大黄蜂”战斗机，EA-6B“徘徊者”电子战飞机，以及用作反射镜及其框架的空间望远镜(如哈勃望远镜)等。由于高sic含量的铝基复合材料集优异的承载功能、卓越的热控功能、乃至独特的抗共振功能于一身，因此在航空航天领域有极大的应用潜力。例如，用该材料替代铝合金或钛合金用于航空航天光电探测结构，可显著提高平台在力、热负荷作用下的精度稳定性；替代钨铜、铝铜专用封装合金用于航空航天电子元器件，可实现相应元件减重70～80％，整部电子装备减重可达百公斤级。

目前生产SiC/Al复合材料的方法主要有粉末冶金法、喷雾沉积法、搅拌铸造法、压力熔渗法等、无压渗透法。

(1)粉末冶金法制备SiC/Al复合材料是先将SiC，铝粉和成形剂混合后压制成形，经过脱脂、烧结成成品。粉末冶金法的最大优点在于成分的自由度宽，这种方法可以很好地控制复合材料的成分,从理论上讲是可以任意的配比；由于成型温度低于基体合金的熔点，金属基体与增强体的界面反应少，减少了界面反应对材料性能的不利影响；对SiC/Al复合材料而言，不易出现偏聚或偏析现象，可以降低增强材料与基体相互润湿的要求。但国内外学者用粉末冶金法来制备SiC/A1复合材料的不多。其原因是烧结过程不易控制，造成材料中孔隙多，而且在后续处理过程也不易消除，工业化成本较高。另外，粉末冶金法对SiC的加入量也有一定的限制，一般不超过55％volSiC含量低的铝基复合材料难以满足电子封装的要求；同时粉末冶金法难以实现复杂部件的近净成形。

(2)喷射沉积法是20世纪80年代由ospray公司开发的一种制备金属基复合材料的方法。此工艺是在坩埚底部开一个小孔，当熔融金属铝液流出后，将颗粒增强相加入液流中，然后用高速惰性气体将基体与颗粒混和物分散成细液滴使其雾化，颗粒及雾化流喷射到基底上共同沉积成金属复合材料。由于增强体粒子在气流推动下高速射人熔体，所以对界面的润湿性要求不高,还可以消除颗粒偏析等不良组织"而且增强相与基体熔液接触时间短，因此二者之间的反应易于控制，且适用于多种增强相沉积的复合材料，相对密度达到95％-98％,需进行二次加工以实现完全致密化。由于喷粉和材料复合一步完成，工艺流程短，工序简单，效率高，有利于实现工业化生产。缺点是成本较高，沉积速度较慢。(3)熔渗法是SiC/Al电子封装复合材料制备的一个主要工艺，根据熔渗过程中是否施压分为压力熔渗和无压熔渗。首先把SiC制成预制块，让铝或铝合金液在压力作用下渗入到预制块内制成复合材料。将SiC与水及粘结剂充分搅拌混合后放入模具内加压至5MPa，随后在80℃恒温箱内烘48h出模，获得具有一定孔隙度的预制块。压铸模和预制块预热至500℃，铝液加热至800℃浇注，然后立即加压使铝液渗入预制块，在125MPa的压力下保压3min，除去压力待其自然冷却后出模。另一种方法是向预热的750℃模具中加入800℃的Si，C颗粒后,在50MPa的压力下保扭30s，使铝液渗入，再在1100℃锻烧4h,制得SiC体积分数为50％-71％的铝基复合材料。该工艺制备复合材料工艺难度相对较大，主要是制备SiC粉末预成形坯块比较困难，强度不高，预制块在压渗过程中易崩溃。缺点就是需要高压设备及密封良好的耐高压的模具，所以生产费用较高，在生产形状复杂的零件，特别是小的薄壁电子封装构件方面限制很大。无压渗透法是一种生产具有高体积分数的电子封装复合材料材料的有效方法，该工艺是在80年代末90年代初由美国Lanxide公司研制的一种新型复合材料成型工艺。随着工艺的不断发展，己能实现高体积分数MMC的净成型。这种工艺使用的基体合金均为Al-Mg合金,当使用SiC作为增强体时往往还加人一定量的Si以减少Al/SiC之间的界面反应。在一定温度下(>800℃)，基体合金中的Mg缓慢挥发扩散至陶瓷素坯中，与作为保护气氛的氮气发生反应，而在粉体的表面生成氮化镁，液态铝与表面的氮化镁相接触，通过一系列的化学反应促进铝液的浸渗，并最终实现了无压浸渗，无压渗透法的缺点是工艺成形时间长，模具要求温度高。

从上面情况可以看出，目前国内外关于电子封装的研究主要针对电子封装材料的研究，主要的工序:1、制备符合要求的电子封装材料；2、对此电子封装材料进行机械加工，制备复合零件尺寸结构形状的零件；3、将经机械加工后的电子封装零件与盖板材料进行焊接。但是，此过程中容易出现以下问题：1、机械加工困难。由于电子封装零件中一般是含有陶磁颗粒较多的(＞50vol％)的金属基复合材料，此种材料的特点是较脆且硬度高、耐磨性能高，所以难以加工成复杂结构的所需零件，且零件的某些部位较薄(＜1mm)，所以机械加工成本高。2、焊接困难。对于一般的复合材料而言，当增强相体分率较高时，其焊接性能较差，而且焊接温度不能太高(约小于450℃)，因而一般的焊接方法比较困难。

发明内容

本发明为了解决采用现有技术中电子封装材料的研究中容易出现以下问题：1、机械加工困难，由于电子封装零件中难以加工成复杂结构的所需零件，零件的某些部位较薄，机械加工成本高。2、焊接困难，增强相体分率较高时，其焊接性能较差，而且焊接温度不能太高，焊接方法比较困难的问题，进而提供金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：制备坯料：通过半固态搅拌铸造法制备Xvol％SiC/Al的第一复合材料坯料通过半固态搅拌铸造法制备Yvol％SiC/Al的第二复合材料坯料，通过粉末双向压制工艺方法制备Zvol％SiC/Al的第三复合材料坯料，通过粉末双向压制工艺方法制备Wvol％SiC/Al的第四复合材料坯料；

步骤二：组装坯料：将步骤一中的第一复合材料坯料、第二复合材料坯料、第三复合材料坯料和第四复合材料坯料由上向下依次组装设置；

步骤三：坯料装填：将步骤二中组装后的多层坯料由上至下装填入具有电磁感应快速加热的模腔中：

步骤四：对坯料进行加热：将电磁感应快速加热的模腔进行加热，将模腔加热至550°，并保温五分钟使多层坯料受热均匀，停止加热；

步骤五：模锻加压：将步骤四中停止加热后电磁感应快速加热的模腔内的坯料通过模锻锤进行加压，在500MPa的压力作用下保压保温五分钟，在电磁感应快速加热的模腔内取出模锻后的零件。

本发明的有益效果是：

1、本发明工艺成形及连接过程可以通过塑性模锻成形工艺进行，也可以通过半固态模锻成形工艺方法，无论哪种方法，坯料在制备过程中，压力作用可以实现零件的模锻成形，可以制备复杂形状的零件，而且零件内部致密度高，孔隙含量少，有助于材料力学性能的提高。

2、在压力作用下以及较高的成形温度(固态热模锻或者半固态模锻)，可以实现不同增强相含量的复合材料坯料制件互相扩散连接，从而可以实现选择性、针对性的电子封装材料有的放矢地设计，半固态金属成形是20世纪70年代新发现的一种凝固现象的应用，它不是利用凝固过程来控制组织的变化或缺陷的产生，而是通过半固态金属液产生的流变性和熔融性来控制制件的质量。它对解决传统压铸件缺陷多、寿命低、耗能大等问题具有重要作用，半固态成形包括流变成形和触变成形。将制得的半固态非枝晶浆料直接进行成形加工，称为流变成形(Rheoforming)；而将这种浆料先凝固成铸锭，再根据需要将金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热至半固态温度区间而进行的加工成为触变成形(Thixoforming)。流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑、因此流变成形技术仍然是金属半固态成形加工技术的一个重要发展方向。触变注射成形无需液态金属熔炼和浇注等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。主要表现为单位成形件的原材料消耗大大减少、无爆炸危险、没有熔渣产生；成形过程中卷人的气体大幅度减少，有助于提高压铸模使用寿命。

3、本发明工艺成形温度相对传统的工艺方法比较低，因此可以避免材料制件的界面反应，从而有助于复合材料热物理性能的提高。

4、电子封装零件累积模锻成形，可以实现需要封装部位低体分率复合材料的设计，有助于电子封装零件后期的焊接。

5本发明的模锻是指在专用模锻设备上利用磨具使坯料成型而获得零件的成形方法，此方法生产的零件尺寸精确，加工余量小，生产效率高，在模锻锤或压力机上用锻模将金属坯料锻压成形，可以锻制形状复杂的锻件，适用于批量生产。

附图说明

图1是本发明第一复合材料坯料1、第二复合材料坯料2、第三复合材料坯料3和第四复合材料坯料4的示意图，图2是模锻锤、第一复合材料坯料1、第二复合材料坯料2、第三复合材料坯料3和第四复合材料坯料4设置在具有电磁感应快速加热的模腔中的示意图，图3是模锻锤对第一复合材料坯料1、第二复合材料坯料2、第三复合材料坯料3和第四复合材料坯料4在具有电磁感应快速加热的模腔中进行加压的示意图，图4是模锻后的零件示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：制备坯料：通过半固态搅拌铸造法制备Xvol％SiC/Al的第一复合材料坯料1通过半固态搅拌铸造法制备Yvol％SiC/Al的第二复合材料坯料2，通过粉末双向压制工艺方法制备Zvol％SiC/Al的第三复合材料坯料3，通过粉末双向压制工艺方法制备Wvol％SiC/Al的第四复合材料坯料4；

步骤二：组装坯料：将步骤一中的第一复合材料坯料1、第二复合材料坯料2、第三复合材料坯料3和第四复合材料坯料4由上向下依次组装设置；

步骤三：坯料装填：将步骤二中组装后的多层坯料由上至下装填入具有电磁感应快速加热的模腔中：

步骤四：对坯料进行加热：将电磁感应快速加热的模腔进行加热，将模腔加热至550°，并保温五分钟使多层坯料受热均匀，停止加热；

步骤五：模锻加压：将步骤四中停止加热后电磁感应快速加热的模腔内的坯料通过模锻锤进行加压，在500MPa的压力作用下保压保温五分钟，在电磁感应快速加热的模腔内取出模锻后的零件。

具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述步骤一中所述的第一复合材料坯料1是在搅拌温度为640℃，搅拌时间30min，搅拌速度为200r/min的条件下进行半固态搅拌铸造制得的Xvol％SiC/Al第一复合材料坯料1，步骤一中所述的第二复合材料坯料2是在搅拌温度为640℃，搅拌时间30min，搅拌速度为200r/min的条件下进行半固态搅拌铸造制得的Yvol％SiC/Al第二复合材料坯料2，步骤一中所述的第三复合材料坯料3是在机械球磨时间为30h，加压压力为200MPa，保压时间为60s，热压温度400℃的条件下进行粉末双向压制工艺方法制得的Zvol％SiC/Al第三复合材料坯料3，步骤一中所述的第四复合材料坯料4是在机械球磨时间为30h，加压压力为200MPa，保压时间为60s，热压温度400℃的条件下进行粉末双向压制工艺方法制得的Wvol％SiC/Al第四复合材料坯料4，其它结构与具体实施方式一相同。

本实施方式中所述的Xvol％SiC/Al的第一复合材料坯料1为Xvol％SiC/6061的第一复合材料坯料，所述的Yvol％SiC/Al的第二复合材料坯料2为Yvol％SiC/6061的第二复合材料坯料，所述的Zvol％SiC/Al的第三复合材料坯料3为Zvol％SiC/6061的第三复合材料坯料，所述的Wvol％SiC/Al的第四复合材料坯料4为Wvol％SiC/6061的第四复合材料坯料。

具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述X的数值为10，增强相体分率为10，其它结构与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述Y的数值为25，增强相体分率为25，其它结构与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述Z的数值为35，增强相体分率为35，其它结构与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，所述W的数值为55，增强相体分率为55，其它结构与具体实施方式五相同。

Claims (6)

1.金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：制备坯料：通过半固态搅拌铸造法制备Xvol％SiC/Al的第一复合材料坯料(1),通过半固态搅拌铸造法制备Yvol％SiC/Al的第二复合材料坯料(2)，通过粉末双向压制工艺方法制备Zvol％SiC/Al的第三复合材料坯料(3)，通过粉末双向压制工艺方法制备Wvol％SiC/Al的第四复合材料坯料(4)；

步骤二：组装坯料：将步骤一中的第一复合材料坯料(1)、第二复合材料坯料(2)、第三复合材料坯料(3)和第四复合材料坯料(4)由上向下依次组装设置；

步骤三：坯料装填：将步骤二中组装后的多层坯料由上至下装填入具有电磁感应快速加热的模腔中：

步骤四：对坯料进行加热：将电磁感应快速加热的模腔进行加热，将模腔加热至550℃，并保温五分钟使多层坯料受热均匀，停止加热；

步骤五：模锻加压：将步骤四中停止加热后电磁感应快速加热的模腔内的坯料通过模锻锤进行加压，在500MPa的压力作用下保压保温五分钟，在电磁感应快速加热的模腔内取出模锻后的零件。

2.根据权利要求1所述的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述步骤一中所述的第一复合材料坯料(1)是在搅拌温度为640℃，搅拌时间30min，搅拌速度为200r/min的条件下进行半固态搅拌铸造制得的Xvol％SiC/Al第一复合材料坯料(1)，步骤一中所述的第二复合材料坯料(2)是在搅拌温度为640℃，搅拌时间30min，搅拌速度为200r/min的条件下进行半固态搅拌铸造制得的Yvol％SiC/Al第二复合材料坯料(2)，步骤一中所述的第三复合材料坯料(3)是在机械球磨时间为30h，加压压力为200MPa，保压时间为60s，热压温度400℃的条件下进行粉末双向压制工艺方法制得的Zvol％SiC/Al第三复合材料坯料(3)，步骤一中所述的第四复合材料坯料(4)是在机械球磨时间为30h，加压压力为200MPa，保压时间为60s，热压温度400℃的条件下进行粉末双向压制工艺方法制得的Wvol％SiC/Al第四复合材料坯料(4)。

3.根据权利要求2所述的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述X的数值为10，增强相体分率为10。

4.根据权利要求2所述的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述Y的数值为25，增强相体分率为25。

5.根据权利要求2所述的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述Z的数值为35，增强相体分率为35。

6.根据权利要求2所述的金属基复合材料电子封装件多层累积模锻成形工艺方法，其特征在于：所述W的数值为55，增强相体分率为55。