CN106475545A - 一种利用液固相分离制备电子封装用高硅铝复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高硅含量(40-70wt.％Si)硅铝复合材料的方法。采用熔铸法制备低硅铝合金坯料，Si含量为20-30wt.％；坯料加热至铝硅二元合金液固两相温度区(共晶温度以上5～30℃)，保温一定时间获得半固态浆料6；浆料6置于带有分离机构5的模具型腔8中，通过压头9施加一定压力，使液相通过分离机构5流入型腔3中，留在型腔8中的剩余富硅相半固态浆料在压力作用下凝固，获得含(40-70wt.％)Si的高硅铝复合材料。该工艺方法流程短、成本低，制备的高硅铝材料具有高致密度、轻质、低膨胀、高导热、良好的力学性能等特点，适用于高性能电子封装壳体制作。

Description

一种利用液固相分离制备电子封装用高硅铝复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种新型低成本高硅铝封装材料的制备方法。

背景技术

封装是集成器件和模块的重要组成部分，占其总成本的近30％。随着集成电路和模块向大功率、小型化、轻量化、高工作频率、高密度、多功能和高可靠性等方向发展，对封装材料，尤其是封装壳体用材料的性能提出了更高的要求。作为集成电路的重要组成部分，封装壳体主要起着机械支撑、散热通道、信号传输、芯片和基板保护等作用。为了满足集成电路高频、高密度和高气密性要求等特点，首先要求封装壳体材料具有良好的散热性能，热导率高于100W/m.K，能将芯片工作时产生的热量快速散失，避免因温度过高而失效；其次应具有低的热膨胀性能，热膨胀系数(Coefficient Thermal Expansion，CTE)在7-18ppm/℃，可以与GaAs、Si等芯片材料匹配，降低二者之间的热错配内应力，防止芯片与封装壳体在连接部位开裂；第三是还应有较低的密度，以实现集成电路的轻量化。考虑到对芯片的支撑和保护作用，要求封装材料应有一定的机械强度和良好的耐蚀性，能抵御高温、高湿、腐蚀、辐射等有害环境对电子器件的影响。在工业化大规模使用，材料还应满足良好的机械加工性能，低的制造成本和应用成本。

铝、硅是地球上储量丰富的两种金属元素，它们的密度均低于3g/cm³，并且金属铝具有良好的导热性能，热导率为237W/m.K，金属硅具有低的热膨胀系数，CTE为4.1ppm/℃，二者复合形成的新材料无中间相产生。根据复合材料的混合原则，硅含量在30～70wt.％的硅铝复合材料密度在2.3～2.7g/cm³，热膨胀系数在4.5～11ppm/℃，而热导率大于100W/m.K，是用于制作高密度封装壳体的理想材料。它既可克服现有封装材料如Kovar、Invar合金的高密度、低导热的局限，又可替代目前热点开发的SiC/Al复合材料，后者由于机械加工困难、表面涂镀性能差等，在封装应用成本上缺乏优势。兼具良好的热物理性能、机械加工性能以及表面涂覆性能，使得高硅铝复合材料自上世纪90年代就成为各国竞相开发的新一代电子封装材料。突出的是英国的SANDVIK公司(原OSPREYMETALS公司)，其采用喷射沉积专利技术(US Patent6,312,535)制备的Al-(12-70)wt.％Si合金，又称为CE系列合金，CTE可在7.4-20ppm/℃之间任意调控，热导率控制在120-177W/m.K，密度＜2.7g/cm³。目前，CE系列合金已经成功应用于航天、航空及军用电子器件的封装，如Raytheon/Pacific Aerospace and Airborne systems、Ericsson Microwave system和C-MAC高频传输模块封装等。同时期内，以美国的YuYongChen、D.D.L.Chung为代表的研究人员提出采用液态金属浸渗法使熔融的Al金属液在压力作用下渗入到Si颗粒构成网状骨架中，制备的60％Si/Al复合材料CTE为8.4ppm/℃，TC达161W/m.K，密度≤2.4g/cm³，相关技术已获得美国专利授予(US Patent 6,759,269)。国内研究院所及企业针对高硅铝复合材料的研究始于本世纪初，相继开发出了喷射沉积、液相浸渗、粉末冶金等技术制备高硅铝复合材料，但普遍存在工艺流程长，设备复杂，材料孔隙率高，生产成本高等问题，使高硅铝复合材料在国内的实际应用受到了很大限制。

处于半固态温度区间的合金在压力作用下发生变形，由于液相和固相间的流动阻力不同，将产生分离流动，其中液相由于表观黏度低，流动阻力小，会穿过固相间的缝隙向四周流动，而固相黏度高，流动阻力大，将富集在合金内部。利用液固相的分离现象，将部分液相从半固态合金中分离出去，剩余合金中将形成固相富集，进而可以获得固相体积分数提高了的新型合金及复合材料。低硅含量的铝硅合金(含20～25％Si)室温下平衡组织由初生Si相和共晶组织组成，当加热至共晶温度(577℃)以上时，由共晶硅和富Al相组成的共晶组织熔点低，首先熔化成低硅含量的液相，而初生Si相由于熔点高，将以固相形式存在。在压力作用下，初生Si相与液相分离流动，采用一定的机构将部分液相从半固态体系中分离出去，剩余合金中初生Si相富集，即可获得新型高硅铝材料。设低硅铝合金中Si元素质量分数为C₀，加热至半固态温度T时合金中液相中含Si量为C_L ^T根据二元合金相图杠杆定律，此时合金中初生Si相的质量分数为设分离出液相质量占原始坯料质量百分数为x，则根据质量守恒定律，液固分离后剩余合金中初生Si相质量分数为式中C_L ^T取决于半固态加热温度。在初始合金中Si含量C₀及半固态加热温度T一定条件下，分离出液相质量分数x越大，获得合金中初生Si相质量分数越大。令常数，液固分离后剩余合金中液相质量分数为f_L’＝l-f_S’，可以得到高硅铝合金中Si元素质量分数为因此通过定量分离出x液相，可以获得目标设定硅元素含量或Si相质量分数的高硅铝合金。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种具有低密度、低膨胀性能和高导热性能的硅铝电子封装材料及其新型低成本制备技术。本发明提供的技术具有工序简单、流程短、易操控等优点，可以解决现有高硅铝材料制造成本较高的问题，同时材料具有高的致密度、优良的热物理性能和力学性能。以上发明目的的实现通过以下技术方案来实现：

一种具有低密度、低膨胀系数、高导热系数的高硅铝电子封装材料的低成本技术，材料中Si含量在30～70％。具体的步骤为：一、熔炼制备含20-30wt.％Si的低硅含量铝硅合金，变质细化处理后浇注成锭；二、从铸锭上定量切割坯料，加热至580-650℃，保温10-60min，获得含有一定初生硅相的半固态浆料；三、半固态浆料快速转移至带有分离机构的模具型腔中，施加一定的压力使浆料中的液、固相产生分离，液相流向盛放滤出液的特定型腔中，模腔内剩余富硅相半固态浆料；四、继续施加压力使剩余的半固态浆料凝固成形；五、脱模，取出压制件并退火处理。

本发明具有以下优点：

1、流程短，成本低。本发明采用半固态浆料液固分离技术制备高硅铝材料工艺路线简单易行，无需复杂庞大装备，制备温度低，材料可循环利用，可实现电子封装壳体的近净成形制造，节约大量材料和机械加工费用。

2、材料的致密度高。在半固态浆料液固分离后继续保持高压凝固，可以消除液固分离过程中产生的缩孔等缺陷，实现材料的高致密性，致密度达到99％以上。

3、材料具有高的导热性能和可控的低膨胀系数。采用本发明提供技术制备的高硅铝材料中硅相形态圆钝化，铝基体相连续分布，可以获得高的热导率，如制备的Al-43％Si复合材料的热导率达到130W/m.K，而喷射沉积制备的同等硅含量合金，热导率测定值仅为96W/m.K，此外热膨胀系数可以依据Si含量在7～18ppm/℃间任意调节。

附图说明

图1为本发明技术制备的高硅铝复合材料组织，其中，图1(a)为低硅铝合金坯料Al-25％Si组织；图1(b)Al-43％Si复合材料组织，图1(c)为Al-50％Si复合材料组织，图2是具体实施方式中制备方法所用液固分离模具的结构示意图。

具体实施方式一

用图2所示模具结构制备Al-(40～70)wt.％Si复合材料，主要装置由压力机上、下模板1和10、加热元件2、上模腔3、分离结构5、下模腔7、样品台8、压头9组成。具体实施方法是：

(1)配制含20～30wt.％Si的低硅含量铝硅合金，在750～900℃温度下熔化，精炼除气后加入含3-5％P的铝磷中间合金变质处理，加入量在0.4-2％，变质温度在液相线以上50-120℃，时间10-60min。处理好的金属液浇注至金属型中凝固形成铸锭。经变质处理的低硅铝合金中初生Si相呈规则块状，尺寸在30～60μm，体积分数在9-18％；

(2)从Al-(20-30wt.％)Si合金铸锭上定量切割一定尺寸的坯料，加热至580-650℃，保温10-60min。

(3)液固分离模具预热至300-500℃，Al-(20-30wt.％)Si半固态浆料6转移至液固分离模具型腔8中；

(4)通过压头9向上施压压力，使浆料中的固相和液相产生分离，液相4经由分离结构5流入上模腔4中，下模腔8中留下富硅相的半固态浆料，分离压力根据成份要求在5-30MPa；

(5)继续施加压力使富硅相的半固态浆料在压力下凝固，压力大小在20-100MPa；

(6)脱模，取出压制件；

(7)压制件退火处理，温度为350-490℃。

具体实施方式二

本实施方式与实施方式一不同点在于其制备步骤是：

(1)配制含(20～30)wt.％Si的低硅铝合金，在750-900℃温度下熔化，精炼除气处理后加入含P量为3-5％的铝磷中间合金变质处理，加入量在0.4-2％，变质温度在液相线以上50-120℃，时间10-60min；

(2)取变质处理结束的低硅铝合金熔体定量浇注到一定温度的铸模中，冷却使熔体温度降至液固两相区，温度在580-620℃，保温5-10min，形成半固态浆料坯；

(3)半固态浆料坯转移至液固分离模具型腔8中；

(4)通过压头9向上施压压力，使浆料中的固相和液相产生分离，液相经由分离结构5流入上模腔4，下模腔8中留下富硅相的半固态浆料，分离压力根据成份要求在5-30Mpa；

(5)继续施加压力使富硅相的半固态浆料在压力下凝固，压力大小在20-100MPa；

(6)脱模，取出压制件；

(7)压制件退火处理，温度为350-490℃。

实施例1

采用工业纯硅和Al-23wt.％Si中间合金配制Al-25wt.％Si合金，在电阻炉中加热至800℃熔化后，精炼、除渣后静置10min，调整温度至850℃，加入Al-4.6P中间合金变质处理，保温30min，浇注至金属模内。金相检验坯料中初生硅相的平均直径为48μm。

Al-25wt.％Si铸锭上截取尺寸为68mm×34mm×20mm的坯料，质量为116g。坯料加热至590℃，保温50min后快速转移至模具下模腔8中，向上施加压力10MPa使部分液相经由分离结构5中的缝隙流进上模腔4，下模腔8中剩余富硅相半固态浆料，最终分离出液相质量为70g，失液率(分离出液相与坯料原始质量百分比，下同)为60％。在压力作用下凝固的富硅相半固态浆料凝固后脱模，获得尺寸为68mm×34mm×8mm的压制件，后400℃退火处理。采用化学元素分析法测定高硅铝材料中Si元素含量为43％(质量百分比)。物理及力学性能测定结果为：密度为2.48g/cm³，致密度99.3％，热导率为130W/m.K，25～100℃平均热膨胀系数为11.7ppm/℃，抗弯强度为180MPa，弹性模量为109GPa。

实施例2

与例1不同的是从Al-25％Si铸锭上截取坯料尺寸为68mm×34mm×30mm，质量为175g。半固态保温时间为50min。液固分离后，分离出液相质量119g，失液率为68％。压制件尺寸为68mm×34mm×10mm。高硅铝材料中Si元素含量为50.6％(质量百分比)。物理及力学性能测定结果为：密度为2.47g/cm³，致密度99.6％，热导率为121W/m.K，25～100℃平均热膨胀系数为10.2ppm/℃，抗弯强度为170MPa，弹性模量为110GPa。

实施例3

与例1和例2不同的是从Al-25％Si铸锭上截取坯料尺寸为68mm×34mm×40mm，质量为231g。半固态保温时间为60min。分离出液相质量为185g，失液率80％。压制件尺寸为68mm×34mm×8.3mm。高硅铝材料中Si元素含量为69％(质量百分比)。物理及力学性能测定结果为：密度为2.42g/cm³，致密度99.6％，热导率为119.5W/m.K，25～100℃平均热膨胀系数为9.6ppm/℃，抗弯强度为132MPa，弹性模量为125GPa。

Claims (5)

1.一种利用液固分离制备电子封装用高硅铝复合材料的方法，其主要特征在于该方法所包含的以下步骤：

(1)Al-(20-30)wt.％Si合金坯料熔炼制备

采用熔铸法制备Al-(20-30)wt.％Si合金坯料，利用变质处理结合搅拌精炼细化初生硅相，并净化熔体，处理后的熔体采用重力浇注或低压铸造，最终获得一定尺寸的初始坯料P1；

(2)Al-(20-30)wt.％Si合金半固态浆料制备

定量切割坯料P1，置于气氛保温炉中重新加热，在580-650℃之间保温10-60min，获得初生Si相和液相共存的半固态料坯P3；或者将变质净化后的铝硅熔体直接浇注至预热的铸模中，待熔体温度降至580-650℃之间，停留5～30min，获得半固态浆料P2；

(3)液固分离制备Al-(40-70)wt.％Si复合材料

将半固态浆料坯P2或P3转移至带有分离机构的模具型腔中，施加压力使浆料中的液相通过分离机构流到盛放滤出液的型腔中，剩余半固态浆料P4中富集初生硅相。模具预热温度在200-500℃，压力在5-30MPa，分离出液相占原始坯料质量的30％～80％。液固分离结束后，增大压力至20-100MPa，保压1-2min使坯料P4凝固，获得含有高体积分数初生Si相的高硅铝复合材料P，最后在350～490℃退火处理。

2.根据权利要求1所述步骤(1)，Al-(20-30)wt.％Si合金熔体采用A1-4.6％P中间合金变质处理，变质剂的添加量为0.4％-2％，变质温度高于合金液相线温度50-120℃，保温时间10-60min，初生硅相的平均直径细化至30-50μm。

3.根据权利要求1所述步骤(2)，半固态浆料P3或P2中初生硅相的质量分数为9％-18％，形态呈团球状，平均直径为30-60μm。

4.根据权利要求1所述步骤(3)，液相的分离通过开有缝隙或圆孔的过滤板实现，缝隙尺寸在0.5-5mm，圆孔直径在0.5-5mm，允许液相通过，但浆料中的初生Si相无法通过；液相也可通过成形模具上、下模间留出的缝隙通道流出，缝隙尺寸在0.5-5mm，过滤板采用热作模具钢制作。

5.根据权利1所述方法，高硅铝材料中Si元素质量分数在40％～70％，其余为Al；初生硅相棱角钝化，形态呈近球形，尺寸在40-60μm，材料致密度达到99％以上，热膨胀系数在7-16ppm/℃可调，热导率超过110W/m.K，抗拉强度达到100-200MPa以上，刚度达到90-130GPa以上。