CN105970013B - 封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法，其包括高温上模，用于保持整个模具内部温度平衡和对高硅铝合金雾化粉末提供一定的热源；外模摸具，用于放置制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末中的两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入；感应线圈，作为可移动式感应加热元件，为整个制备过程提供热量；梯度工件，用于制备梯度材料；冷却水循环装置，当制备过程中的温度超过设定温度时，通过冷却水循环装置将多余的热量导出；低温下模，与高温上模的温度形成对比，产生温度梯度；热电偶，用于测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度。本发明制备的合金致密度更高，组织更加细化，合金具有优异的综合性能。

Description

封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，特别是涉及一种封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法。
背景技术
电子封装主要发挥密封、散热和屏蔽等作用，对器件的稳定性具有重要影响，同时还为精细电子线路提供机械支撑以及作为导电连接介质。现代战机和导弹的电子封装系统，芯片裸集成于封装盒底面，要求封装壳膨胀系数须与GaAs或Si芯片相匹配并有好的散热性能；另一方面，封装壳侧壁和上盖起支撑和保护作用，须具有良好的机械性能、气密性和可焊接性能。高硅铝合金因密度低、膨胀系数小、导热性能好且有一定的强度、好的可加工性，在电子封装领域具有广泛的应用前景。随着合金中硅含量升高，合金的热膨胀系数逐渐降低，但是其机械和焊接性能变差，严重影响了高硅铝合金在电子封装领域的应用。为此，本发明提出制备高硅铝合金梯度材料，来改善电子封装材料的低膨胀性与焊接、精加工之间的矛盾，其制备的梯度高硅合金，高硅端具有低的膨胀系数，满足电路和芯片集成要求；低硅端具有优良的焊接、精加工性能，满足封装盒侧壁钻孔、焊接、密封的需求。
作为先进的金属热成形方法，粉末烧结技术具有易于操作、灵活性高及适于制备大体积的梯度材料的特点，成为目前应用比较广泛的工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法，其制备的合金致密度更高，组织更加细化，合金具有优异的综合性能。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种梯度高硅铝合金高通量制备装置，其包括：
高温上模，用于保持整个模具内部温度平衡和对高硅铝合金雾化粉末提供一定的热源；
外模摸具，用于放置制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末中的两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入；
感应线圈，作为可移动式感应加热元件，为整个制备过程提供热量；
梯度工件，用于制备梯度材料；
冷却水循环装置，当制备过程中的温度超过设定温度时，通过冷却水循环装置将多余的热量导出；
低温下模，与高温上模的温度形成对比，产生温度梯度；
热电偶，用于测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度。
优选地，所述梯度工件位于高温上模和低温下模之间，外模模具位于高温上模的侧面、梯度工件的侧面、低温下模的侧面，热电偶位于外模模具上，感应线圈缠绕在外模模具上和梯度工件上，冷却水循环装置位于外模模具上。
本发明还提供一种封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，提供用于制备梯度高硅铝合金的雾化粉末，梯度高硅铝合金的雾化粉末的主要成分按质量百分比计为Al-50wt.%Si、Al-20wt.%Si、Al-12.6wt.%Si；
步骤二，选择上述制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入，不同成分合金粉末体积百分比5:1；首先模具底层铺低硅含量的合金粉；模具上端铺高硅含量的合金粉；雾化粉末加入后施加10KN的压力；
步骤三，利用感应线圈对冷压后的粉末加热，根据加入合金粉末的成分调整加热温度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为570℃，Al-20wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为520℃，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为450℃，通过不同位置处热电偶测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度， 达到设定温度后均匀化10min后升压至50KN，烧结；
步骤四，在温度梯度下烧结30min，然后控制整个样品低温30min-1h扩散，冷却，泄压。
优选地，所述步骤三中的温度梯度的控制主要是通过样品的传热及热流的导出实现，利用热电偶检测不同位置处温度，通过控制感应线圈的加热时间来形成温度梯度，梯度样件下端热量的导出主要靠冷却水循环装置。
优选地，所述封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法的关键因素有以下四个因素：粉末的加入方式、温度梯度的控制、成分梯度的形成及烧结温度与时间控制。
优选地，所述封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法适合具有不同烧结温度的梯度合金的制备。
本发明的积极进步效果在于： 一，本发明通过对传统粉末烧结模具加热装置改进，增加了可移动感应加热装置和模具底部热流导出装置，能够更快烧结粉末，通过调整温度梯度，制备的合金致密度更高，组织更加细化，合金具有优异的综合性能。二，本发明采用移动感应式加热，通过在模具外部增加可上下移动的感应线圈，利用热电偶测试工件不同位置处温度的高低，从而控制感应线圈在梯度工件不同位置处停留时间，从而实现整个梯度工件温度的梯度分布，设备实用性广，能够制备多种梯度合金材料。
附图说明
图1为本发明梯度高硅铝合金高通量制备装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明梯度高硅铝合金高通量制备装置包括高温上模1、外模模具2、感应线圈3、梯度工件4、冷却水循环装置5、低温下模6、热电偶7，其中：
高温上模，用于保持整个模具内部温度平衡和对高硅铝合金雾化粉末提供一定的热源；
外模摸具，用于放置制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末中的两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入；
感应线圈，作为可移动式感应加热元件，为整个制备过程提供热量；
梯度工件，用于制备梯度材料；
冷却水循环装置，当制备过程中的温度超过设定温度时，通过冷却水循环装置将多余的热量导出；
低温下模，与高温上模的温度形成对比，产生温度梯度；
热电偶，用于测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度。
梯度工件4位于高温上模1和低温下模6之间，外模模具2位于高温上模1的侧面、梯度工件4的侧面、低温下模6的侧面，热电偶7位于外模模具2上，感应线圈3缠绕在外模模具2上和梯度工件4上，冷却水循环装置5位于外模模具2上，这样排列紧凑。
本发明封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法包括以下步骤：
步骤一，提供用于制备梯度高硅铝合金的雾化粉末，梯度高硅铝合金的雾化粉末的主要成分（质量百分比，wt.%）为Al-50wt.%Si、Al-20wt.%Si、Al-12.6wt.%Si。该发明制备的梯度封装材料可以是两种不同质量分数粉末、也可以是三种不同质量分数粉末。
步骤二，选择上述制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入，不同成分合金粉末体积百分比5（高成分）:1（低成分）。首先模具底层铺低硅含量的合金粉；模具上端铺高硅含量的合金粉。粉末加入后施加10KN的压力。
步骤三，利用感应线圈对冷压后的粉末加热，根据加入合金粉末的成分调整加热温度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高烧结温度570℃、Al-20wt.%Si合金粉末的最高烧结温度520℃、Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高烧结温度450℃，通过不同位置处热电偶测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度，达到设定温度后均匀化10min后升压至50KN烧结。
步骤四，在温度梯度下烧结30min，然后控制整个样品低温30min-1h扩散，冷却，泄压。
实例1：Al-20wt.%Si/ Al-12.6wt.%Si梯度合金
按步骤一选择Al-20wt.%Si和Al-12.6wt.%Si雾化合金粉来制备梯度合金，按步骤二首先在模具底端装入厚度为10mm的Al-12.6wt.%Si雾化合金粉，随后加入厚度为50mm的Al-20wt.%Si合金粉。在室温下对加入的粉末施加10KN的压力。按步骤三利用感应线圈对对冷压后的粉末加热，根据步骤三要求Al-20wt.%Si合金粉末的最高烧结温度520℃、Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高烧结温度450℃。感应线圈首先对高成分合金加热，通过热电偶控制粉末最高温度达到520℃时，感应线圈开始降低功率并向模具下端移动，在移动到样品梯度区域时，温度控制不超高480℃，感应线圈继续向模具下端移动，模具下端粉末温度控制在450℃，当高于此温度时，立即停止加热并利用水冷将多余的热量导出。根据不同位置处热电偶的显示，不断移动感应线圈的加热功率和不同位置处停留时间，使整个样品处于温度梯度。均匀化10min后对样品施加50KN的压力。按步骤四保压30min后，控制整个样品温度450℃，保温1h，使样品中Si元素有充足的时间有高成分向低成分扩散，从而形成成分梯度，冷却并泄压。
实例2：Al-50wt.%Si/ Al-20wt.%Si梯度合金
按步骤一选择Al-50wt.%Si和Al-20wt.%Si雾化合金粉来制备梯度合金，按步骤二首先在模具底端装入厚度为10mm的Al-20wt.%Si雾化合金粉，随后加入厚度为50mm的Al-50wt.%Si合金粉。在室温下对加入的粉末施加10KN的压力。按步骤三利用感应线圈对对冷压后的粉末加热，根据步骤三要求Al-50wt.%Si合金粉末的最高烧结温度570℃、Al-20wt.%Si合金粉末的最高烧结温度520℃。感应线圈首先对高成分合金加热，通过热电偶控制粉末最高温度达到570℃时，感应线圈开始降低功率并向模具下端移动，在移动到样品梯度区域时，温度控制不超过550℃，感应线圈继续向模具下端移动，模具下端粉末温度控制在520℃，当高于此温度时，立即停止加热并利用水冷将多余的热量导出。根据不同位置处热电偶的显示，不断改变感应线圈的加热功率和不同位置处停留时间，使整个样品处于温度梯度。均匀化10min后对样品施加50KN的压力。按步骤四保压30min后，控制整个样品温度520℃，保温1h，使样品中Si元素有充足的时间有高成分向低成分扩散，从而形成成分梯度，冷却并泄压。
本发明的关键因素有以下四个因素：粉末的加入方式、温度梯度的控制、成分梯度的形成及烧结温度与时间控制。粉末的加入方式是保证成分梯度形成的关键因素，单独粉末或者混粉加入，以及加入粉末的体积分数影响梯度区成分范围。温度梯度的控制主要是通过样品的传热及热流的导出实现，利用热电偶检测不同位置处温度，通过控制感应线圈的加热时间来形成温度梯度，低温下膜热量的导出主要靠水流的速度。成分梯度的形成除与粉末加入量有关外，主要受控于高固熔粉末在外界热流的作用下Si原子的析出，Si原子本身有高浓度向低浓度扩散的趋势，通过上述温度梯度的控制，加速Si原子的扩散，从而使Si元素在微观区域形成梯度。烧结温度与时间控制是保障梯度材料整体性能的重要手段，高的烧结温度，合金的致密度较高，其导热性能和力学性能提高；但是过高的温度导致Si相粗化，反而会降低梯度材料的性能;同时低的烧结温度，导致合金的致密度降低，其导热性能和力学性能降低。烧结时间是控制梯度区成分宽度的主要因素。
利用本发明提出的方法可以制备具有成分梯度分布的高硅铝合金，高硅端具有低的膨胀系数，满足电路和芯片集成要求；低硅端具有优良的焊接、精加工性能，满足封装盒侧壁钻孔、焊接、密封的需求。
本发明制得的产品从上端面高成分硅含量梯度过度到下端面低成分硅含量。所述的具有不同Si含量分布的梯度高硅铝合金的制备方法包括粉末加入、移动感应加热、温度梯度形成和加压处理等。本发明的工艺适合具有不同烧结温度的梯度合金的制备，制备的合金材料成分呈现梯度变化，高硅端具有低的热膨胀系数，低硅端具有优异的加工和焊接性能。该梯度过渡合金对缓解高硅端与低硅端连接过程中界面应力具有重要意义。本发明通过调节高硅铝合金中硅相的质量分数，使梯度材料高硅端具有较低的热膨胀系数，低硅端具有优异的加工和焊接性能。本发明通过控制粉末烧结过程中温度流向，制备出无明显界面的高硅铝合金梯度材料，具体如下表1所示：
表1
性能 抗拉强度 (MPa) 热导率(W/m·℃) 热膨胀系数(×10-6/℃)
实施例1 260 170 17.4（25℃~200℃）
实施例2 180 139 12.1（25℃~200℃）
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法，采用梯度高硅铝合金高通量制备装置来实现，该装置包括：
高温上模，用于保持整个模具内部温度平衡和对高硅铝合金雾化粉末提供一定的热源；
外模模具，用于放置制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末中的两种或者三种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入；
感应线圈，作为可移动式感应加热元件，为整个制备过程提供热量；
梯度工件，用于制备梯度材料；
冷却水循环装置，当制备过程中的温度超过设定温度时，通过冷却水循环装置将多余的热量导出；
低温下模，与高温上模的温度形成对比，产生温度梯度；
热电偶，用于测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度；
其特征在于，所述封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法包括以下步骤：
步骤一，提供用于制备梯度高硅铝合金的雾化粉末，梯度高硅铝合金的雾化粉末的主要成分按质量百分比计为Al-50wt.%Si、Al-20wt.%Si、Al-12.6wt.%Si；
步骤二，选择上述制备的梯度高硅铝合金的雾化粉末两种，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具顶端的顺序依次加入，不同成分合金粉末的体积百分比为：高成分：低成分=5:1；首先模具底层铺低硅含量的合金粉；模具上端铺高硅含量的合金粉；雾化粉末加入后施加10KN的冷压压力；
步骤三，利用感应线圈对冷压后的粉末加热，根据加入合金粉末的成分调整加热温度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为570℃，Al-20wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为520℃，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高烧结温度为450℃，通过不同位置处热电偶测试温度控制感应加热时间，从而形成温度梯度，达到设定温度后均匀化10min后升压至50KN，烧结；
步骤四，在温度梯度下烧结30min，然后控制整个样品低温30min-1h扩散，冷却，泄压。
2.如权利要求1所述的封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法，其特征在于，所述步骤三中的温度梯度的控制主要是通过样品的传热及热流的导出实现，利用热电偶检测不同位置处温度，通过控制感应线圈的加热时间来形成温度梯度，梯度样件下端热量的导出主要靠冷却水循环装置。
3.如权利要求1所述的封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法，其特征在于，所述封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法适合具有不同烧结温度的梯度合金的制备。
4.根据权利要求1所述的封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备方法，其特征在于，所述梯度工件位于高温上模和低温下模之间，外模模具位于高温上模的侧面、梯度工件的侧面、低温下模的侧面，热电偶位于外模模具上，感应线圈缠绕在外模模具上和梯度工件上，冷却水循环装置位于外模模具上。
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