CN105483454A - 一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法，其是将增强体粉末与铝基体粉末按照不同比例进行均匀混合，所得不同增强体含量的复合粉末依次封装于圆柱形钢模具中进行冷压成型，冷压坯锭在惰性气体气氛下经热压成型提高其致密度，热压坯锭经高温真空除气后进行热等静压致密化，制成完全致密的坯锭。本发明的制备方法简单、成本低，且质量稳定，复合材料具有高强高韧、焊接性能好的特点，可应用于电子封装领域。

Description

一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料制备技术领域，特别涉及一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法。
背景技术
电子封装材料用于承载电子元器件及连接线路，具有良好的电绝缘性，对芯片具有机械支撑和环境保护作用，对器件和电路的热性能和可靠性起着重要作用。理想的电子封装材料必须具有低密度、高热导率、较低热膨胀系数、足够的强度和刚度，以及低成本等综合性能。
颗粒增强铝基复合材料是近年来发展起来的一种先进材料，该材料具有高比强度、高比刚度、低膨胀、高导热、抗疲劳、各向同性等优异的综合性能，且颗粒增强体成本低、制造工艺简单价廉。从上世纪80年代初开始，世界各国竞相对这类材料进行了许多基础性研究，取得了显著成绩。目前，在一些发达国家，颗粒增强铝基复合材料已经在电子封装领域获得了应用，比如美国的DWA复合材料公司用粉末冶金法制造出了50～55vol.％SiC/6061复合材料，密度为2.99g/cm3，导热系数达220W/(m·K)。美国铝业公司利用压力熔渗法制造出了55％～60％SiC/Al，可替代可伐(Kovar)和因瓦(1nvar)合金。英国Osprey公司利用喷射成形技术制备出Si质量分数为50％～70％的Si/Al复合材料，其热膨胀系数为(6～8)×10-6K-1，热导率大于100W/(m·K)，密度为2.4～2.5g/cm3。以上复合材料主要应用于卫星电子基片、散热基片、热沉、雷达T/R组件和微波管的载体等。电子封装用铝基复合材料要求增强体含量至少在50％以上，但这导致了材料的塑性和韧性明显低于铝基体，另外与其它零部件连接时，存在可焊性差等问题，所以需要研制出一种新的层状铝基复合材料来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法。
一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法，复合材料中增强体含量为0wt.％～70wt.％，铝基体含量为30wt.％～100wt.％，该方法包括下述步骤：
(1)将不同质量比的增强体粉末与铝基体粉末分别加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成增强体含量不同的混合粉末；
(2)将增强体含量不同的混合粉末依次封装于圆柱形钢模具中，进行冷压成型；
(3)将封装于圆柱形钢模具中的坯锭在惰性气体气氛下，进行热压成型；
(4)将热压成型的圆柱形坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理；
(5)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，成型为致密度为100％的复合材料坯锭；
(6)机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到层状铝基复合材料。
所述增强体为SiC或Si，颗粒平均粒度d0.5为3～10μm。
所述铝基体为纯铝或铝合金，以纯铝为最佳，颗粒平均粒度d0.5为3～10μm。
所述层状铝基复合材料为三层，每层厚度为3～10mm，增强体含量由上至下逐层降低，上层增强体质量分数为50％～70％，中层增强体质量分数为上层的一半，下层增强体含量为0。
步骤(2)中，冷压成型的压力为10～50MPa，冷压致密度为50％～70％，每层被均匀压平密实，且每层之间不存在严重交叉。
步骤(3)中，热压成型的热压温度为350～500℃，压力为20～50MPa，热压致密度为70％～90％。
步骤(4)中，高温真空除气处理的除气温度为540～620℃，升温速度为20～50℃/h，真空度为5×10-1Pa以下，除气时间不超过30h。
步骤(4)中，所述金属包套选用纯铝或20#钢，确保包套在热等静压高温致密化过程中可随复合材料坯锭均匀变形，包套厚度为1～4mm。
步骤(5)中，热等静压温度与高温真空除气温度保持一致，为540～620℃，压力为100～130MPa，保温保压2～5h。
本发明的有益效果为：(1)采用粉末冶金工艺，增强体颗粒的含量可以得到准确控制；(2)采用热压技术使得坯锭热压致密度为70％～90％，使用氩气等惰性气体保证粉末不会被氧化，在350～500℃高温下压制成型，可以让每层粉末的压制残余应力得到释放，不会出现层间裂纹；(3)采用热等静压技术，可以使材料致密度达到100％，获得高强高韧的层状复合材料。
由于本发明的层状铝基复合材料的制备方法采用三步逐渐致密化工序，即冷压、热压和热等静压，使复合材料最终致密化，层与层之间的结合非常完好，层间不存在明显的性能突变或组织交叉，能够很好的避免层裂现象。本发明的制备方法成本低、工艺稳定且简单，制备的电子封装用层状铝基复合材料具有高强高韧、焊接性能好的特点。
附图说明
图1为实施例1中硅颗粒增强层状铝基复合材料的界面微观组织；a为50％Si/Al层和25％Si/Al层的界面微观组织，b为25％Si/Al层和Al层的界面微观组织。
图2为本发明一种电子封装用层状铝基复合材料的制备工艺流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
本实施例按照图2所示层状铝基复合材料的制备工艺流程进行；所制备的硅颗粒增强层状铝基复合材料，是由50％Si/Al层、25％Si/Al层和Al层复合而成，其制备方法采用如下技术方案：(1)将硅粉末与铝粉末按照一定比例均匀混合，硅粉末和铝粉末的平均粒度d0.5均为5.5μm；50％Si/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝1:1混合，25％Si/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝1:3混合；(2)将混合粉末封装于圆柱形钢模具中进行冷压成型，压力10MPa，每层厚度约3mm，50％Si/Al层在上部，20％Si/Al层在中部，Al层在下部；(3)将冷压成型的坯锭进行热压成型，氩气气氛保护，热压温度350℃，压力50MPa；(4)将热压成型的坯锭去掉钢模具，然后封装入纯铝包套中进行高温真空除气处理，纯铝包套厚度为1mm，除气温度580℃，升温速度20℃/h，真空度为0.3Pa，除气时间29h；(4)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，热等静压温度为580℃，压力为100MPa，保温保压2h，然后随炉冷却至室温。
热等静压锭的致密度达到100％。复合材料层间微观组织照片如图1a-b所示，图中深色区域为Si，浅色区域为铝基体，层间组织完全致密、无孔洞，层间界限明显、无严重交叉。
实施例2
本实施例按照图2所示层状铝基复合材料的制备工艺流程进行；所制备的硅颗粒增强层状铝基复合材料，是由60％Si/Al层、30％Si/Al层和Al层复合而成，其制备方法采用如下技术方案：(1)将硅粉末与铝粉末按照一定比例均匀混合，硅粉末和铝粉末的平均粒度d0.5均为3μm；60％Si/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝3:2混合，30％Si/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝3:7混合；(2)将混合粉末封装于圆柱形钢模具中进行冷压成型，压力10MPa，每层厚度约5mm，60％Si/Al层在上部，30％Si/Al层在中部，Al层在下部；(3)将冷压成型的坯锭进行热压成型，氩气气氛保护，热压温度400℃，压力40MPa；(4)将热压成型的坯锭去掉钢模具，然后封装入20#钢包套中进行高温真空除气处理，包套厚度为2mm，除气温度600℃，升温速度50℃/h，真空度为0.1Pa，除气时间12h；(4)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，热等静压温度为600℃，压力为120MPa，保温保压5h，然后随炉冷却至室温。热等静压锭的致密度达到100％。
实施例3
本实施例按照图2所示层状铝基复合材料的制备工艺流程进行；所制备的碳化硅颗粒增强层状铝基复合材料，是由70％SiC/Al层、35％SiC/Al层和Al层复合而成，其制备方法采用如下技术方案：(1)将硅粉末与铝粉末按照一定比例均匀混合，碳化硅粉末和铝粉末的平均粒度d0.5均为10μm；70％SiC/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝7:3混合，35％SiC/Al层，粉末按照质量比mSi:mAl＝7:13混合；(2)将混合粉末封装于圆柱形钢模具中进行冷压成型，压力10MPa，每层厚度约10mm，70％SiC/Al层在上部，35％SiC/Al层在中部，Al层在下部；(3)将冷压成型的坯锭进行热压成型，氩气气氛保护，热压温度500℃，压力20MPa；(4)将压热成型的坯锭去掉钢模具，然后封装入20#钢包套中进行高温真空除气处理，包套厚度为4mm，除气温度620℃，升温速度40℃/h，真空度为0.4Pa，除气时间15.5h；(4)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，热等静压温度620℃，压力130MPa，保温保压5h，然后随炉冷却至室温。热等静压锭的致密度达到100％。

Claims (9)

1.一种电子封装用层状铝基复合材料的制备方法，复合材料中增强体含量为0wt.％～70wt.％，铝基体含量为30wt.％～100wt.％，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)将不同质量比的增强体粉末与铝基体粉末分别加入到混料机中，加入钢球进行混合均匀，制成增强体含量不同的混合粉末；
(2)将增强体含量不同的混合粉末依次封装于圆柱形钢模具中，进行冷压成型；
(3)将封装于圆柱形钢模具中的坯锭在惰性气体气氛下，进行热压成型；
(4)将热压成型的圆柱形坯锭封装入金属包套中，进行高温真空除气处理；
(5)将经高温真空除气处理的坯锭进行热等静压致密化，成型为致密度为100％的复合材料坯锭；
(6)机加工去掉热等静压坯锭外面的金属包套，得到层状铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，所述增强体为SiC或Si，颗粒平均粒度d0.5为3～10μm。
3.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，所述铝基体为纯铝或铝合金，颗粒平均粒度d0.5为3～10μm。
4.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，所述层状铝基复合材料为三层，每层厚度为3～10mm，增强体含量由上至下逐层降低，上层增强体质量分数为50％～70％，中层增强体质量分数为上层的一半，下层增强体含量为0。
5.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷压成型的压力为10～50MPa，冷压致密度为50％～70％。
6.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热压成型的热压温度为350～500℃，压力为20～50MPa，热压致密度为70％～90％。
7.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，步骤(4)中，高温真空除气处理的除气温度为540～620℃，升温速度为20～50℃/h，真空度为5×10-1Pa以下，除气时间不超过30h。
8.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述金属包套选用纯铝或20#钢，包套厚度为1～4mm。
9.根据权利要求1所述一种制备方法，其特征在于，步骤(5)中，热等静压温度与高温真空除气温度保持一致，为540～620℃，压力为100～130MPa，保温保压2～5h。
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