CN107520419B - 一种铝合金电子芯片托盘及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金电子芯片托盘的制备工艺，该电子芯片托盘使用半固态流变压铸工艺进行生产，具体包括制浆工序、流变压铸工序及时效处理工序，其中，压铸方式采用真空压铸。使用该制备工艺制得的铝合金电子芯片托盘不仅具有铝材优异性能，并且有效克服铝合金材料受热易变形的技术问题，其热变形量小，具有优异外观质量及防静电性能，开拓了电子芯片托盘的市场应用，拓展压铸件的应用领域，本发明还请求保护使用该制备工艺生产的铝合金电子芯片托盘。

Description

一种铝合金电子芯片托盘及其制备工艺
技术领域
本发明涉及压铸生产领域，尤其涉及一种铝合金电子芯片托盘的制备工艺及其制备的产品。
背景技术
电子芯片托盘是安装半导体集成电路芯片用的外壳，具有安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，大多使用在电子产品和电子零件上面，托盘作为烘烤测试所用的载体，在半导体集成电路领域有重要应用。
目前，行业使用在电子产品上的封装托盘主要有吸塑成型的塑料托盘，包括PE托盘、ABS托盘等，还有冲压型生产的钣金托盘等。封装托盘需具备良好的力学性能和耐高温性能，即托盘在高温或外力下不变形，若要求托盘具有较高的清洁度还需具备良好的耐腐蚀性能。而现有的塑料托盘则存在刚性较差，抗冲击性能差的问题，而且塑料老化易导致使用寿命较短；钣金托盘则存在质量重、成本昂贵等问题。
铝合金托盘具有质量较轻、力学性能佳等特点，但是仍处于研发阶段，主要因为铝合金压铸件的热变形量较大，铸件压铸残余应力会使托盘在使用过程中变形，另外，用作电子芯片托盘的铝合金压铸件外观质量及产品平面度要求较高。因此，铝合金压铸的电子芯片托盘的生产工艺也成为了压铸生产领域的新课题，而研究制得的铝合金托盘也能够开拓电子芯片封装托盘的市场应用，进一步拓展压铸件的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种铝合金电子芯片托盘的制备工艺，该制备工艺制得的铝合金电子芯片托盘质量轻、力学性能佳，并且具有优异的外观质量，能够开拓电子芯片封装托盘的市场应用，且进一步拓展压铸件的应用领域。
本发明的基本思想是，通过针对铝合金原材料的选用、半固态浆料的制备工艺、真空压铸及压铸热变形的控制、压铸毛坯时效处理以及压铸件后处理等过程的研究与控制，制备得到用于芯片封装的铝合金托盘，该托盘力学性能好，变形量小，并且外观质量佳。该托盘开拓了电子芯片封装托盘市场应用，也拓展了压铸件的应用领域。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种铝合金电子芯片托盘的制备工艺，该电子芯片托盘使用半固态流变压铸工艺进行生产，具体地，所述制备工艺包括下述步骤：
制浆工序，将铝合金原材料进行熔化、冷却搅拌过程制备得到半固态浆料；
流变压铸工序，将半固态浆料填充模具型腔，进行真空压铸制得压铸毛坯；
时效处理工序，将压铸毛坯进行时效处理，制得电子芯片托盘。
其中，所述流变压铸工序中，型腔真空度为40～80mbar，抽气时间为0.2～1s，增压压力为200～300Mpa。
其中，所述时效处理工序中，时效处理的温度为180～250℃，时效处理时间为2～5小时。
其中，其特征在于，所述制浆工序中，所述铝合金原材料包括的各组分的质量百分比为：硅，9～12％；铜，1.2～3.5％；铝，80.6～89.0％。
其中，所述制浆工序中，所述半固态浆料的温度为585～610℃，固相率为30～50％。
其中，所述模具型腔粗糙度Ra≤0.8μm，模具分型面配合间隙≤0.02mm。
其中，所述制备工艺还包括表面处理工序，各步骤具体如下所述：
制浆工序，将铝合金原材料进行熔化、冷却搅拌过程制备得到半固态浆料，搅拌速度为1000～1300rpm，并且，制得的半固态浆料温度为590～610℃，固相率为40～45％；
流变压铸工序，将半固态浆料填充模具型腔，进行真空压铸制得压铸毛坯，其中，型腔真空度为50～80mbar，抽气时间为0.2～0.8s，增压压力为220～270Mpa；
时效处理工序，将压铸毛坯进行时效处理，制得电子芯片托盘，其中时效处理温度为180～220℃，时效处理时间为2～4小时；
表面处理工序，将电子芯片托盘进行吹砂、CNC加工处理及超声波清洗处理，得到电子芯片托盘产品。
其中，所述电子芯片托盘产品的表面粗糙度Ra＜1.8μm，清洁度＜5g/cm2。
其中，所述流变压铸工序中，所述半固态浆料的温度为595～600℃，浆料固相率为42±1％。
其中，所述流变压铸工序中，型腔真空度为60mbar，抽气时间为0.5s，增压压力为240Mpa。
本发明还提供一种铝合金电子芯片托盘，所述铝合金电子芯片托盘由上述的制备工艺制得。
本发明使用真空压铸工艺结合半固态流变压铸工艺压铸生产芯片托盘的压铸毛坯，该方式制得的压铸件内部组织更加细密，无气孔缺陷且明显改善热变形问题。制得的压铸毛坯再进行时效处理，进一步消除压铸件内应力，减少产品机加工过程中应力变形量。其中，时效处理的温度优选为180～250℃，时效处理的时间优选为2～5小时。更优选地，时效处理温度为180～220℃，时效处理时间为2～4小时。最优选地，时效处理温度为200℃，时效处理时间为3小时。
在该工艺过程中，半固态浆料的质量控制与压铸工艺控制对压铸件的质量至关重要。由于在实际压铸过程中，半固态浆料在充填型腔的短暂时间内，浆料的粘度，固体颗粒的数量、大小及形貌均在变化，因此本发明针对压铸之前的制浆工序质量控制进行了大量研究。
具体地，制浆工序是在冷却条件下利用机械搅拌作用打碎树枝晶，制得半固态浆料，其中机械搅拌的转速控制为1000～1300rpm，制得的半固态浆料温度控制为585～610℃，固相率为30～50％；优选地，制得的半固态浆料温度控制为590～610℃，固相率为40～45％，该状态的半固态浆料进行充型，凝固过程的体积收缩小。
流变压铸工序是使用真空压铸工艺，型腔真空度为40～80mbar，抽气时间为0.2～1s，增压压力为200～300Mpa。优选地，型腔真空度为50～80mbar，抽气时间为0.2～0.8s，增压压力为220～270Mpa，制得的压铸毛坯质量佳，无冲蚀麻点、拉模变形及起泡流痕等外观缺陷。
进一步地，真空压铸的模具材料选用德国葛利兹2344模具钢，该模具材料耐蚀性好，生产得到的压铸件质量更高。优选地，控制压铸模具型腔粗糙度Ra≤0.8μm；模具分型面配合间隙≤0.02mm，能取得较好的真空效果，精度高，有效改善产品内部的气孔缺陷。
进一步地，半固态浆料进行真空压铸时，通过模温机平衡模具温度，减少凝固时厚壁部位收缩引起热变形。另一方面，通过设计模具的顶出位置以减少开模时产品顶出的变形。
铝合金原材料的设计与选择对铝合金电子芯片托盘性能至关重要，优选地，本发明使用的铝合金原材料各个组分的质量百分比为：硅，9～12％；铜，1.2～3.5％；铝，80.6～89.0％。符合上述配比的铝合金原材料最适合电子芯片托盘的生产，且生产得到的托盘压铸件密度大于2.7g/cm3，具有较佳的力学性能。进一步地，本发明铝合金原材料还可包括少量的铁、锰和镁，该三种元素的添加可改善产品性能，但铁元素的添加量不宜超过1.5％，锰元素的添加量不宜超过0.5％，镁元素的添加量不宜超过0.3％。
该铝合金原材料还可包括锌、镍、锡等杂质元素，杂质元素含量需控制较低水平，例如锌元素会降低材料塑性，导致产品延伸率降低，因此，限定锌含量为0～1.0％，镍含量为0～0.5％，锡含量为0～0.3％。
该铝合金原材料可通过冶炼制得，也可购买市售产品，例如选用牌号为ADC12的铝合金材料可满足本发明的电子芯片托盘的生产要求。
更优选地，在流变压铸工序中进一步限定半固态浆料的温度为595～600℃，固相率为42±1％，制得的产品性能最佳。
更有选地，在流变压铸工序中进一步限定型腔真空度为60mbar，抽气时间为0.5s，增压压力为240Mpa，制得产品性能更佳。
本发明提供的制备工艺还包括表面处理工序，该表面处理工序是将电子芯片托盘进行吹砂、CNC加工及清洗处理。其中，吹砂过程中使用280目的石英砂对托盘表面进行处理。CNC加工过程是使用设计合理的夹具对托盘的平面度进行调整，使其外观质量更佳，符合高端要求。清洗处理过程是使用超声波清洗机进行清洗，除去杂质与油污。
经过表面处理工序后的电子芯片托盘产品，其表面粗糙度Ra控制为＜1.8μm，清洁度控制为＜5g/cm2，符合设计要求。
更优选地，单个电子芯片托盘产品的平面度小于0.025mm，40片托盘平面叠加后整体高度差＜1.0mm，可以满足高端需求。
本发明还提供一种由上述制备工艺制得的铝合金电子芯片托盘。
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：
第一，本发明的电子芯片托盘为铝合金托盘，具有铝合金材质的质量轻、力学性能好，成本较低等优点，并且使用半固态流变压铸工艺进行制备，效率高产品致密性好。
第二，本发明提供的托盘产品不仅具备铝材耐腐蚀性好等优势，还能够有效克服铝合金材料受热易变形的技术问题，热变形量小，开拓了电子芯片托盘的市场应用，拓展压铸件的应用领域。
第三，本发明提供的托盘产品外观质量佳，平面度及清洁度均能够满足使用需求，并且该托盘还具备铝合金产品的防静电性能。
参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明铝合金电子芯片托盘的制备工艺流程图；
图2示出了根据本发明一个实施例的具体制备工艺流程图；
图3示出了本发明一个实施例的铝合金电子芯片托盘结构图；
图4示出了本发明一个实施例的40个铝合金电子芯片托盘叠放示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
下面通过实施例的方式，对根据本发明所提供的铝合金电子芯片托盘的制备工艺进行详细描述。
实施例1
制浆工序，选用牌号为ADC12的铝合金材料进行半固态浆料的制备，将该铝合金原材料在熔炼炉中进行熔炼、精炼除气后制得液态合金，压铸机配套的舀汤机勺同时作为制浆设备，汤勺内的液态合金在冷却过程进行机械搅拌作用，机械搅拌速度为1200rpm，制得具有球状晶的半固态浆料；其中半固态浆料的温度为595℃，固相率为43％；
流变压铸工序，在压铸机作用下，使上述半固态浆料填充模具型腔，模具型腔粗糙度Ra为1.8μm；模具分型面配合间隙为0.02mm，充型结束后增加压力，并进行真空压铸制得压铸毛坯；其中，型腔真空度为60mbar，抽气时间为0.5s，增压压力为240Mpa；
时效处理工序，将压铸毛坯放入时效炉中进行时效处理，在180℃下保温4小时，制得电子芯片托盘。
实施例2
制浆工序，选用牌号为ADC12的铝合金材料进行半固态浆料的制备，将该铝合金原材料在熔炼炉中进行熔炼、精炼除气后制得液态合金，压铸机配套的舀汤机勺同时作为制浆设备，汤勺内的液态合金在冷却过程进行机械搅拌作用，机械搅拌的速度为1200rpm，制得具有球状晶的半固态浆料；其中半固态浆料的温度为600℃，固相率为42％；
流变压铸工序，在压铸机压力作用下，使半固态浆料填充模具型腔，模具型腔粗糙度Ra为1.8μm；模具分型面配合间隙为0.02mm，充型结束后增加压力，并进行真空压铸制得压铸毛坯；其中，型腔真空度为60mbar，抽气时间为0.5s，增压压力为240Mpa；
时效处理工序，将压铸毛坯放入时效炉中进行时效处理，在200℃下保温3小时，制得电子芯片托盘。
表面处理工序，将电子芯片托盘进行吹砂、CNC加工及超声波清洗处理，得到电子芯片托盘产品。
实施例3～实施例8参考实施例1、2的制备过程，且使用相同的铝合金材料，使用的设备也保持一致，但各工序的操作参数有所变化，具体实施例情况如表1所示：
表1不同实施例制备工艺参数列表
测试例
将上述实施例制备得到的电子芯片托盘产品进行性能测试，主要包括有杂质清洁度、油污清洁度和平面度三方面的性能测试。
其中清洁度采用的方法为重量法，测定原理是取固定量的试样进行清洗，将清洗液通过滤膜充分过滤，将污染收集到滤膜表面，充分干燥后滤膜的质量增加值即为污物的质量，本测试实验中固定量试样的表面积控制为110.55cm2，测试的清洁度包括杂质清洁度和油污清洁度两方面。各实施例的结果如表2所示：
表2不同电子芯片托盘清洁度测试结果
平面度采用的方法为高低温循环测试，即测试方法为将实施例1～8制得的电子芯片托盘，以40个托盘为一组进行叠放，如附图4所示，以40个托盘的叠放组作为测试样，放入260℃的测试炉中，模拟电子芯片托盘的高温使用过程，并在该温度下保持10分钟，随后放置室温测其平面度，测试完毕后再次升温，做15个循环。各实施例的结果如表3所示，其中处理前指未进行升温测试之前的测试样平面度，平面度单位为mm。
表3不同电子芯片托盘平面度测试结果
从上述测试例我们可以看出，使用本发明提供的制备工艺制得的铝合金托盘性能佳，具体体现在清洁度和高低温循环平面度等方面：
由表2可知，实施例1～8的清洁度均小于5g/cm2，特别是实施例2～8，平均杂质清洁度为0.097g/cm2，平均油污清洁度为0.176g/cm2，因此，进行表面处理工序能够明显提升产品的清洁度。
由表3可知，实施例1～8的测试样经过15次循环测试后，平面度均保持不超过1mm，有效克服了铝合金材料受热易变形的问题。其中，由于试样1的铝合金托盘未进行表面处理，因此测试前产品的平面度超过1mm，在高低温循环测试过程中，平面度维持在1mm以内；实施例2性能最佳，除第一次测试结果外，其他次数的平面度基本维持在较低水平，结果较好的还有实施例4～6；实施例7～8的平面度相对较高，其中某些测试结果中平面度达到了1mm，但总体热形变量仍较小，可满足使用要求。
综上所述，本发明通过对原材料及各项工序的工艺进行研究，使用该制备工艺制得的产品能够解决现有技术的不足，具有下述有益效果：
第一，本发明的电子芯片托盘为铝合金托盘，具有铝合金材质的质量轻、力学性能好，成本较低等优点，并且使用半固态流变压铸工艺进行制备，效率高产品致密性好。
第二，本发明提供的托盘产品不仅具备铝材耐腐蚀性好等优势，还能够有效克服铝合金材料受热易变形的技术问题，热变形量小，开拓了电子芯片托盘的市场应用，拓展压铸件的应用领域。
第三，本发明提供的托盘产品外观质量佳，平面度及清洁度均能够满足使用需求，并且该托盘还具备铝合金产品相关的防静电性能。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种铝合金电子芯片托盘的制备工艺，其特征在于，所述电子芯片托盘使用半固态流变压铸工艺进行生产，具体地，所述制备工艺包括下述步骤：
制浆工序，将铝合金原材料进行熔化、冷却搅拌过程制备得到半固态浆料；
流变压铸工序，将半固态浆料填充模具型腔，进行真空压铸制得压铸毛坯；
时效处理工序，将压铸毛坯进行时效处理，制得电子芯片托盘；
表面处理工序，将电子芯片托盘进行吹砂、CNC加工处理及超声波清洗处理，得到电子芯片托盘产品；
所述流变压铸工序中，型腔真空度为50～80mbar，抽气时间为0.2～0.8s，增压压力为220～270Mpa；
所述时效处理工序中，时效处理温度为180～220℃，时效处理时间为2～4小时；
所述制浆工序中，所述铝合金原材料包括的各组分的质量百分比为：硅，9～12％；铜，1.2～3.5％；铝，80.6～89.0％；
所述制浆工序中，搅拌速度为1000～1300rpm，并且，制得的半固态浆料温度为590～610℃，固相率为40～45％；
所述模具型腔粗糙度Ra≤0.8μm，模具分型面配合间隙≤0.02mm；
所述电子芯片托盘产品的表面粗糙度Ra＜1.8μm，清洁度＜5g/cm2。
2.如权利要求1所述的铝合金电子芯片托盘的制备工艺，其特征在于，所述流变压铸工序中，所述半固态浆料的温度为595～600℃，固相率为42±1％。
3.一种铝合金电子芯片托盘，其特征在于，所述铝合金电子芯片托盘由权利要求1～2中任一项所述的制备工艺制得。
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