CN109604591A - 一种高硅铝合金壳体的近终成形模具及其近终成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高硅铝合金壳体的近终成形模具及其近终成形方法。包括，长侧压板、短侧压板，所述长侧压板和短侧压板拼装成一模框，模框具有一上下开口的模腔；上压块和下压块，上压块和下压块能在模腔内往复移动；所述下压块顶面设置有一凸台，组合模具由钢套固定。本发明的一种高硅铝合金壳体的近终成形方法：气雾化制粉获得铝硅原材料，石墨模具经过表面涂覆、干燥、组合，再将原材料平铺在模具中，进行压力烧结，脱模得到铝硅壳体材料。本发明通过模具设计结合压力烧结，直接制得高硅铝合金电子封装壳体，提高了生产效率和原材料利用率，制备过程可控性、稳定性好，具有极高的工业应用价值，并可以推广至其他金属材料的制造。

Description

一种高硅铝合金壳体的近终成形模具及其近终成形方法

技术领域

本发明涉及一种高硅铝合金壳体的近终成形方法，具体涉及通过模具的设计和装配以及压力烧结制备近终尺寸的电子封装壳体材料。

背景技术

电子封装材料是用于承载电子器件及其相互联线，起机械支撑、密封环境保护、信号传递、散热和屏蔽等作用的基体材料。电子封装材料按封装结构主要包括基板、布线、层间介质和密封材料；按封装形式可分为气密封装和实体封装；按材料组成可分为陶瓷基、塑料基和金属基电子封装材料。电子封装材料的研究、开发和应用与现代电子工业和材料技术的发展密不可分。研究表明，电子器件的失效率随着工作温度的上升而急剧增大：基本上工作温度每提高10℃，砷化镓或硅半导体器件的寿命将下降三分之一。因此，高性能电子封装材料的开发与应用对电子工业的发展具有重要影响。

电子封装材料的种类很多，常用材料及其主要性能参数如表1-1所列。传统电子封装材料主要包括陶瓷(氧化铝、氮化铝和碳化硅等)、封装塑料(玻璃纤维增强环氧树脂复合材料)和金属及合金封装材料(铝、铜、铍和可伐等系列合金)。由于存在一些不可避免的问题，如密度大、导热性能差、价格昂贵、对人体有毒等缺点，传统电子封装材料已无法满足现代电子器件对封装性能的要求。

高硅铝合金综合了铝基体和硅颗粒的优异性能，具有热导率高、热膨胀系数匹配、加工和镀覆性能好等特点，并且硅(15.2％)和铝(2.2％)在地球上的含量十分丰富，成本低廉，该材料对环境无污染，对人体无害，可回收再利用；同时，由于硅在高温下于铝基体中有一定的固溶度，不存在界面润湿性问题；另外，铝与硅之间不会在高温下发生不利的界面反应。因此，高硅铝合金成为一种具有广阔前景的电子封装壳体材料，特别是在航空航天等空间技术领域。

近年来关于硅铝合金作为电子封装材料屡见不鲜，但是其加工步骤较多且复杂，参数要求也比较严格，且成品效率较低。

发明内容

本发明旨在提供一种高硅铝合金壳体的近终成形模具及其近终成形方法，通过合理设计模具及其装配，结合压力烧结获得接近所需形状的电子封装壳体材料，提高生产效率和原材料利用率，制备过程可控性、稳定性好，并可以推广至其他金属材料的制造。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，包括，两短侧压板，各短侧压板呈长方体状；两长侧压板，各长侧压板呈长方体状，并与所述两短侧压板拼装成一模框，所述模框形成一个上下开口的模腔；上压块，所述上压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动；下压块，所述下压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动，所述下压块顶面设置有一凸台，所述凸台的形状大小为高硅铝合金壳体的内腔形状大小；钢套，所述钢套套设在所述模框的外侧壁并箍紧所述模框。

与现有技术相比，本发明的模具可以对高硅铝合金壳体的尺寸进行约束，使得成型后尺寸偏差小。且通过模具设计可以获得不同形状大小的封装壳体，具有良好的可控性。

进一步地，所述上压块和下压块的高度之和不低于所述长侧压板和短侧压板的高度，保证压力烧结过程中压力不能作用在侧压板上。

进一步地，所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的棱边均不设置倒角，以保持良好的配合度，并利于模具之间的组合。

进一步地，所述凸台与长侧压板、短侧压板的间距不小于2mm，以利于粉末装入模具并保证烧结压力的传递。

进一步地，所述长侧压板、短侧压板的高度比高硅铝合金壳体的高度高10mm以上。

进一步地，所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的材料为石墨，模具采用普通车削加工获得。

本发明还提供一种高硅铝合金壳体的近终成形方法，包括如下步骤，

1)、采用气体雾化制备高硅铝合金粉末或将纯硅粉与纯铝粉按比例进行混料，获得硅的质量百分比为20～70％的高硅铝原材料粉末；

2)、将模具中与高硅铝合金原材料粉末接触的内表面均匀的涂覆一层脱模剂，置于干燥箱中烤干，之后按顺序分别将长、短侧压板以及下压块组合起来，并用钢套固定；

3)、将步骤1)得到的高硅铝原材料粉末平铺装入模腔中后压入所述上压块，然后在保护气氛中以10～30℃/min的速率升温，先进行预烧结，再进行压力烧结，烧结结束后先降温再降压；

4)、脱模，脱模后得到相对密度大于99％的近终形状的高硅铝壳体。

进一步地，步骤3)中，在420～480℃、20～50MPa的压力预烧结10～20min，然后在550～850℃、20～50MPa的压力烧结0.5～2h。

进一步地，所述步骤3)中，在进行预烧结和烧结的同时，上压块和下压块分别对所述高硅铝原材料进行加压。把压力作用于高硅铝合金原材料粉末上。

与现有技术相比，通过本发明的一种高硅铝合金壳体的近终成形方法得到的高硅铝合金壳体的尺寸偏差小于0.2mm，经过少量精加工即可得到电子封装用壳体材料。其还具有以下有益效果：

1)电子封装高硅铝合金壳体直接通过压力烧结得到，减少后续加工，降低成本；

2)高硅铝合金壳体的尺寸通过模具进行约束，成形后尺寸偏差小，减小加工量，提高材料利用率；

3)通过模具设计可以获得不同形状尺寸的封装壳体，具有良好的可控性；

4)该方法不仅适用于高硅铝合金，也可以应用于其他电子封装壳体的制备以及类似结构的成形。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为为本发明实施例1的组合模具的示意图；

图2为本发明实施例1的高硅铝壳体示意图；

图3为本发明实施例1制备的Al-50Si合金壳体的底部显微组织；

图4为本发明实施例1制备的Al-50Si合金壳体的侧面显微组织。

图中，1a、短侧压板；3a、短侧压板；2b、长侧压板；4b、长侧压板；5、上压块；6、下压块；7、凸台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述

本发明提供一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，包括，

两短侧压板，所述各短侧压板呈长方体状；所述两侧短压板的长度为高硅铝合金壳体的长度。

两长侧压板，各长侧压板呈长方体状，并与所述两短侧压板拼装成一模框，所述模框形成一个上下开口的模腔；所述两长侧压板的长度为高硅铝合金壳体的宽度加上两个短侧压板的厚度。

上压块，所述上压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动；所述上压块的长宽为高硅铝合金壳体的长宽。

下压块，所述下压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动，所述下压块顶面设置有一凸台，所述凸台的形状大小为高硅铝合金壳体的内腔形状大小。

钢套，所述钢套套设在所述模框的外侧壁并箍紧所述模框，在进行组合时，所述钢套用于固定长、短侧压板以及下压块。

具体的，所述上压块和下压块的高度之和不低于所述长侧压板和短侧压板的高度，保证压力烧结过程中压力不能作用在侧压板上。

具体的，所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的棱边均不设置倒角，以保持良好的配合度，并利于模具之间的组合。

具体的，所述凸台与长侧压板、短侧压板的间距不小于2mm，以利于粉末装入模具并保证烧结压力的传递。

具体的，所述长侧压板、短侧压板的高度比高硅铝合金壳体的高度高10mm以上。

具体的，所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的材料为高强度、高密度、高纯度石墨，模具采用普通车削加工获得。

通过上述模具，本发明还提供一种高硅铝合金壳体的近终成形方法，包括如下步骤，

1)、采用气体雾化制备高硅铝合金粉末或将纯硅粉与纯铝粉按比例进行混料，获得硅的质量百分比为20～70％的高硅铝原材料粉末；

2)、将模具中与高硅铝合金原材料粉末接触的内表面均匀的涂覆一层脱模剂，置于干燥箱中烤干，之后按顺序分别将长、短侧压板以及下压块组合起来，并用钢套固定；

3)、将步骤1)得到的高硅铝原材料粉末平铺装入模腔中后压入所述上压块，在保护气氛中以10～30℃/min的速率升温，在420～480℃、20～50MPa的压力预烧结10～20min，然后在550～850℃、20～50MPa的压力烧结0.5～2h，烧结结束后先降温再降压。在此过程中，上、下压块分别对所述高硅铝原材料进行加压。把压力作用于高硅铝合金原材料粉末上使其成形。

4)、脱模，脱模后得到相对密度大于99％的近终形状的高硅铝壳体。

下面通过一个具体实施例来说明本发明的高硅铝合金壳体的近终成形模具以及近终成形方法。

实施例1：

下面以制备电子封装Al-50Si合金壳体为例对本发明进行进一步说明。

本实施例所用模具采用高强度、高密度、高纯度石墨作为原料，采用普通车削加工，长短侧压板和上下压块均不允许倒角。如图1所示，所述短侧压板(1a)和(3a)的长、高、厚分别为50mm×50mm×12mm。长侧压板(2b)和(4b)的长、高、厚分别为74mm×50mm×12mm。上压块5的长、宽、高分别为50mm×50mm×30mm。下压块6的长、宽、高分别为50mm×50mm×30mm，凸台7位于正中间，尺寸为40mm×40mm×5mm。

采用该模具，Al-50Si合金壳体的成形方法，包括如下步骤：

1)采用气体雾化制备Al-50Si合金壳体粉末；

2)将模具中与Al-50Si合金接触的内表面均匀的涂覆一层脱模剂，置于干燥箱中烤干，之后按顺序先分别将长短侧压板以及下压块组合起来，并用钢套固定。具体为长侧压板和短侧压板拼装成一模框，该模框具有一个上下开口的模腔，然后将下压块从下方伸入所述模腔中，并用钢套套在模框外侧壁以固定侧压板和下压块。

3)将Al-50Si合金粉末平铺装入上述模腔中，具体是将Al-50Si合金粉末平铺在下压块顶面的凸台上以及凸台与侧压板的缝隙中，使得凸台为Al-50Si合金壳体的内腔，然后将上压块从上方对准Al-50Si合金粉末进行挤压。在保护气氛中以10℃/min的速率升温，在450℃、20MPa的压力对上述合金粉末进行预烧结20min，然后在550℃、50MPa的压力烧结1h，烧结结束后先降温再降压。在此过程中，上下压块分别对Al-50Si合金粉末进行加压。

4)脱模后得到相对密度大于99％的近终形状的Al-50Si合金壳体。

图1为本发明实施例1模具的示意图。图2为Al-50Si合金壳体的示意图。图3为Al-50Si合金壳体底部显微组织，图4为Al-50Si合金壳体侧面的显微组织。可以看出，合金中组织致密，硅相尺寸均匀、细小，无明显尖角；底部与侧面的显微组织无明显区别，这样的组织特征赋予合金良好的力学和热物理性能，能够满足电子封装壳体的性能指标要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于，包括，

两短侧压板，各短侧压板呈长方体状；

两长侧压板，各长侧压板呈长方体状，并与所述两短侧压板拼装成一模框，所述模框形成一个上下开口的模腔；

上压块，所述上压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动；

下压块，所述下压块的大小与所述模腔匹配且能在所述模腔内作往复移动，所述下压块顶面设置有一凸台，所述凸台的形状大小为高硅铝合金壳体的内腔形状大小；

钢套，所述钢套套设在所述模框的外侧壁并箍紧所述模框。

2.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于：所述上压块和下压块的高度之和不低于所述长侧压板和短侧压板的高度。

3.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于：所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的棱边均不设置倒角。

4.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于：所述凸台与长侧压板、短侧压板的间距不小于2mm。

5.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于：所述长侧压板、短侧压板的高度比高硅铝合金壳体的高度高10mm以上。

6.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金壳体的近终成形模具，其特征在于：所述长侧压板、短侧压板、上压块和下压块的材料为石墨。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的高硅铝合金壳体的近终成形方法，其特征在于：包括如下步骤，

1)、采用气体雾化制备高硅铝合金粉末或将纯硅粉与纯铝粉按比例进行混料，获得硅的质量百分比为20～70％的高硅铝原材料粉末；

2)、将模具中与高硅铝合金原材料粉末接触的内表面均匀的涂覆一层脱模剂，置于干燥箱中烤干，之后按顺序分别将长、短侧压板以及下压块组合起来，并用钢套固定；

3)、将步骤1)得到的高硅铝原材料粉末平铺装入模腔中后压入所述上压块，然后在保护气氛中以10～30℃/min的速率升温，先进行预烧结，再进行压力烧结，烧结结束后先降温再降压；

4)、脱模，脱模后得到相对密度大于99％的近终形状的高硅铝壳体。

8.根据权利要求7所述的高硅铝合金壳体的近终成形方法，其特征在于：步骤3)中，在420～480℃、20～50MPa的压力预烧结10～20min，然后在550～850℃、20～50MPa的压力烧结0.5～2h。

9.根据权利要求7所述的高硅铝合金壳体的近终成形方法，其特征在于：所述步骤3)中，在进行预烧结和烧结的同时，上压块和下压块分别对所述高硅铝原材料进行加压。