CN110303161B - 一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种梯度硅铝‑碳化硅铝电子封装复合材料及其制备方法，属于电子信息工业用的电子封装材料技术领域。所述复合材料具有层状结构，依次由硅铝层、碳化硅/硅铝层、碳化硅铝层组成；所述硅铝层中，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为65％～85％；所述碳化硅/硅铝层中，碳化硅的体积分数为15％～35％，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为30％～70％；所述碳化硅铝层中，碳化硅的体积分数为45％～65％，铝的体积分数为35％～55％。本发明将将硅铝合金和碳化硅铝两种电子封装材料结合在一起，能够发挥各自优势：发挥了硅铝合金可焊性极好的优势和高体积分数碳化硅铝合金高弹性模量、高热导率、低热膨胀系数的优势。
Description
技术领域
本发明属于电子信息工业用的电子封装材料技术领域，具体涉及一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料及其制备方法。
背景技术
电子信息工业要求很高的芯片集成度，工作温度变得很高，这就要求封装材料具有较高的热导率，并且要有与电子芯片相匹配的热膨胀系数，还要满足轻量化的要求，并具有一定的强塑性指标，且便于加工。传统的封装材料，如纯金属铝、铜，第一代封装材料可伐合金，第二代封装材料钨铜、钼铜等不是导热性能不够就是密度太高，热膨胀系数也与芯片材料不匹配。第三代封装材料高体积分数碳化硅增强铝基复合材料满足了上述要求，但碳化硅铝复合材料加工性能较差，尤其是可焊性很差。硅增强铝基复合材料可焊性较好，但是热导率和力学性能比不上碳化硅铝合金。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的封装材料热导率、可焊性、热膨胀系数等综合性能不能满足现有需求的问题，提供一种可焊性极好的梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料及其制备方法，该材料具有与芯片匹配的热膨胀系数、高的热导率、高弹性模量、高抗拉强度、高密封性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料，所述复合材料具有层状结构，依次由硅铝层、碳化硅/硅铝层、碳化硅铝层组成；所述硅铝层中，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为65％～85％；所述碳化硅/硅铝层中，碳化硅的体积分数为15％～35％，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为30％～70％；所述碳化硅铝层中，碳化硅的体积分数为45％～65％，铝的体积分数为35％～55％。
一种上述的梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：球磨机混粉：计算称取各层原料的粉末，分别加入球磨罐干混至少4小时，分别得到3种不同成分的合金粉末；
步骤二：布粉：首先制得铝制包套，然后按顺序铺设粉末，即先将碳化硅铝层铺设在包套底层，再将碳化硅/硅铝层铺设于底层上边，最后将硅铝层铺设于最顶层；
步骤三：抽真空：将铝制包套焊上铝制细管，然后连接真空泵，再送入电阻炉中加热至400℃抽真空，保证铝制包套内最终的真空度在1×10-4Pa以下；
步骤四：采用热压的方法制备梯度硅铝-碳化硅铝复合材料：将已抽真空的铝制包套取出直接放入预热至400℃的模具之中，按照2℃/min的升温速率升温至600℃保温2h后热压，采用30MPa压力挤压成型。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
(1)将硅铝合金和碳化硅铝两种材料结合在一起，保持了硅铝合金和碳化硅铝两种材料的高导热率、低膨胀系数的性能特点，梯度硅铝-碳化硅铝复合材料中，硅铝层热导率为100～150W/m×K，热膨胀系数为14×10﹣6/K～17.1×10﹣6/K，碳化硅铝层热导率为150～200W/m×K，热膨胀系数为9×10-6/K～12×10-6/K。
(2)将硅铝合金和碳化硅铝两种电子封装材料结合在一起，能够发挥各自优势：发挥了硅铝合金可焊性极好的优势和高体积分数碳化硅铝合金高弹性模量、高热导率、低热膨胀系数的优势。
(3)硅铝层，碳化硅铝层中的增强相体积分数可以在一定的范围内调节以满足不同电子封装材料的要求；采用中间碳化硅/硅铝层使得硅铝层和碳化硅铝层结合紧密，铝基体连续分布，使得整个封装壳体密封性良好。
附图说明
图1为本发明梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的示意图；
图2为本发明实施例5各层金相示意图；
其中，1-硅铝层、2-碳化硅/硅铝层，3-碳化硅铝层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料，所述复合材料具有层状结构，依次由硅铝层、碳化硅/硅铝层、碳化硅铝层组成，如图1所示；所述硅铝层中，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为65％～85％；所述碳化硅/硅铝层中，碳化硅的体积分数为15％～35％，硅的体积分数为15％～35％，铝的体积分数为30％～70％；所述碳化硅铝层中，碳化硅的体积分数为45％～65％，铝的体积分数为35％～55％。使用梯度硅铝-碳化硅铝复合材料作为电子封装材料壳体时，硅铝层可与多种合金进行焊接，热膨胀系数与碳化硅铝层相匹配；碳化硅铝层具有低热膨胀系数、高热导率、高弹性模量、高抗拉强度的特点；中间的碳化硅/硅铝层起到了过渡连接的作用，使硅铝层和碳化硅铝层能稳定结合。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料，所述硅铝层厚度为1～3mm；所述碳化硅/硅铝层厚度为1～2mm；所述碳化硅铝层厚度>1mm，为主要使用层，尺寸根据实际确定。
具体实施方式三：一种具体实施方式一或二所述的梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：球磨机混粉：计算称取各层原料的粉末，分别加入球磨罐干混至少4小时，分别得到3种不同成分的合金粉末；混粉时间在4小时以上时就可以保证下层(碳化硅粉和铝粉)、中间层(碳化硅粉、硅粉和铝粉)以及上层(硅粉和铝粉)均混合均匀；球磨混合方式为干混，转数应该保持粉末为抛落状态，为100r/min。碳化硅颗粒粒径在5～100微米之间分布，纯度在99.99％以上，宏观表现出的颜色为灰白色；
步骤二：布粉：首先制得铝制包套，然后按顺序铺设粉末，即先将碳化硅铝层铺设在包套底层，再将碳化硅/硅铝层铺设于底层上边，最后将硅铝层铺设于最顶层；
步骤三：抽真空：将铝制包套焊上铝制细管，然后连接真空泵，再送入电阻炉中加热至400℃抽真空，保证铝制包套内最终的真空度在1×10-4Pa以下；所述铝制细管的焊接位置在顶面侧面均可，自由选择，对最终产品没有影响，但是要保证真空度在1×10-4pa以下。铝制细管焊接铝制包套处可采用钢丝网和碳纤维布封口，阻止粉末进入真空系统；加热的目的是为了加快抽真空速度；
步骤四：采用热压的方法制备梯度硅铝-碳化硅铝复合材料：将已抽真空的铝制包套取出直接放入预热至400℃的模具之中，按照2℃/min的升温速率升温至600℃保温2h后热压，采用30MPa压力挤压成型。
为保证梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的可焊性，硅铝层厚度一般不小于1mm，但为了保证碳化硅铝的高热导率、高弹性模量、高抗拉强度、低热膨胀系数，硅铝层厚度一般不大于3mm；另外中间过渡层(碳化硅/硅铝层)厚度不应该低于1mm以保证硅铝层和碳化硅铝层的紧密连接，但也不宜过大，保证在1～2mm之间为优。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的制备方法，步骤一中，球料比为1：1，球磨转速为100r/min。
实施例1：
分别称取硅粉67.8克和6063铝合金粉432.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得15vol.％Si/85vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉50.3克、碳化硅粉129克和6063铝合金粉338.7克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得7.5vol.％Si/22.5vol.％SiC/70vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉246.2克，6063铝合金粉253.8克，同理混粉，制得45vol.％SiC/55vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的压头下降速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为15％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为45％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为17.1×10﹣6/K和12×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为150W/m×K和201W/m×K。
实施例2：
分别称取硅粉90.9克和6063铝合金粉409.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得20vol.％Si/80vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉42.9克、碳化硅粉143.1克及铝合金粉314克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得10vol.％Si/25vol.％SiC/65vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉271.2克和6063铝合金粉228.8克，同理混粉，制得50vol.％SiC/50vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为20％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为50％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为17.3×10﹣6/K和10.9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为141W/m×K和181W/m×K。
实施例3：
分别称取硅粉114.3克和6063铝合金粉385.7克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得25vol.％Si/75vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉53.6克、碳化硅粉157.1克及6063铝合金粉289.3克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得12.5vol.％Si/27.5vol.％SiC/60vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉295.8克和6063铝合金粉204.2克，同理混粉，制得55vol.％SiC/45vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为25％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为55％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16.5×10﹣6/K和10.1×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为122W/m×K和170W/m×K。
实施例4：
分别称取硅粉137.9克和6063铝合金粉362.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得30vol.％Si/70vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉64.2克、碳化硅粉171.1克及6063铝合金粉264.7克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得15vol.％Si/30vol.％SiC/55vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉320克和6063铝合金粉180克，同理混粉，制得60vol.％SiC/40vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为30％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为60％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16×10﹣6/K和9.6×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为110W/m×K和163W/m×K。
实施例5：
分别称取硅粉161.8克和6063铝合金粉338.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得35vol.％Si/65vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉74.7克、碳化硅粉185.1克及6063铝合金粉240.2克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得17.5vol.％Si/32.5vol.％SiC/50vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉343.8克和6063铝合金粉156.2克，同理混粉，制得65vol.％SiC/35vol.％6063铝合金粉。混粉时间在4小时以上时就可以保证碳化硅粉和铝粉，碳化硅粉、硅粉和铝粉，以及硅粉和铝粉混合均匀；在最终热挤压后各层金相如图2所示，可以看出，三层不存在增强相的偏聚现象，分散均匀，不存在团聚，因此，球磨时间限定为4小时。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为35％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为65％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为14×10﹣6/K和9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为100W/m×K和150W/m×K。
实施例6：
分别称取硅粉90.9克和6063铝合金粉409.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得20vol.％Si/80vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉42.7克、碳化硅粉128克及6063铝合金粉329.3克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得10vol.％Si/22.5vol.％SiC/67.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉246.2克，6063铝合金粉253.8克，同理混粉，制得45vol.％SiC/vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为20％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为45％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为17.3×10﹣6/K和12×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为141W/m×K和201W/m×K。
实施例7：
分别称取硅粉114.3克和6063铝合金粉385.7克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得25vol.％Si/75vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉54.1克、碳化硅粉129.7克及6063铝合金粉316.2克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得12.5vol.％Si/22.5vol.％SiC/65vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉246.2克和6063铝合金粉253.8克，同理混粉，制得45vol.％SiC/55vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2个小时，然后在30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为25％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为45％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16.5×10﹣6/K和12×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为122W/m×K和201W/m×K。
实施例8：
分别称取硅粉114.3克和6063铝合金粉385.7克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得25vol.％Si/75vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉53.8克、碳化硅粉143.5克及6063铝合金粉302.7克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得12.5vol.％Si/25vol.％SiC/62.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉271.2克和6063铝合金粉228.8克，同理混粉，制得50vol％SiC/50vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为25％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为50％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16.5×10﹣6/K和10.9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为122W/m×K和181W/m×K。
实施例9：
分别称取硅粉137.9克和6063铝合金粉362.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得30vol.％Si/70vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉65克，碳化硅粉138.1克、6063铝合金粉304.9克及加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得15vol.％Si/22.5vol.％SiC/62.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉246.2克和6063铝合金粉253.8克，同理混粉，制得45vol.％SiC/55vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为30％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为45％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16×10﹣6/K和12×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为110W/m×K和201W/m×K。
实施例10：
分别称取硅粉137.9克和6063铝合金粉362.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得30vol.％Si/70vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉64.7克、碳化硅粉143.9克及6063铝合金粉291.4克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得15vol.％Si/25vol.％SiC/60vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉271.2克和6063铝合金粉228.8克，同理混粉，制得50vol.％SiC/50vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为30％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为50％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16×10﹣6/K和10.9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为110W/m×K和181W/m×K。
实施例11：
分别称取硅粉137.9克和6063铝合金粉362.1克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得30vol.％Si/70vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉64.5克、碳化硅粉157.6克及6063铝合金粉278克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得15vol.％Si/27.5vol.％SiC/57.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉295.8克和6063铝合金粉204.2克，同理混粉，制得55vol.％SiC/45vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为30％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为55％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为16×10﹣6/K和10.1×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为110W/m×K和170W/m×K。
实施例12：
分别称取硅粉161.8克和6063铝合金粉338.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀制得35vol.％Si/65vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉76.1克、碳化硅粉130.4克几6063铝合金粉293.5克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀；再称取碳化硅粉246.2克和6063铝合金粉253.8克，同理混粉，制得体积分数为45vol.％SiC/55vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于100Pa。取出，放入已预热至400℃的热挤压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2个小时，然后在30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3.0m，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9.0mm。硅铝层中硅的体积分数为35％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为45％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为14×10﹣6/K和12×10﹣6/K，硅铝合金层和碳化硅铝合金层的热导率分别为100W/m*K和201W/m*K。
实施例13：
分别称取硅粉161.8克和6063铝合金粉338.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得35vol.％Si/65vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉75.7克、碳化硅粉144.3克及6063铝合金粉280克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得17.5vol.％Si/25vol.％SiC/57.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉271.2克和6063铝合金粉228.8克，同理混粉，制得50vol.％SiC/50vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为35％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为50％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为14×10﹣6/K和10.9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为100W/m×K和181W/m×K。
实施例14：
分别称取硅粉161.8克和6063铝合金粉338.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得35vol％Si/65vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉75.4克、碳化硅粉158克和6063铝合金粉266.6克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得17.5vol％Si/27.5vol％SiC/60vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉295.8克和6063铝合金粉204.2克，同理混粉，制得55vol％SiC/45vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃的热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为35％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为55％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为14×10﹣6/K和10.1×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为100W/m×K和170W/m×K。
实施例15：
分别称取硅粉161.8克和6063铝合金粉338.2克，加入500克不锈钢磨球，在球磨机中混粉4小时，混合均匀，制得35vol.％Si/65vol.％6063铝合金粉；分别称取硅粉75克、碳化硅粉171.6克及6063铝合金粉253.4克，加入不锈钢磨球500克，在球磨机中球磨4小时，混合均匀，制得17.5vol.％Si/30vol.％SiC/52.5vol.％6063铝合金粉；称取碳化硅粉320克和6063铝合金粉180克，同理混粉，制得60vol.％SiC/40vol.％6063铝合金粉。
先将碳化硅铝合金粉置于包套底部，然后是中间过渡层，最后是硅铝层。焊上真空管连接真空泵，将包套放入电阻炉，按照2℃/min的升温速率升至400℃并恒温，抽真空至真空度不高于1×10﹣4Pa。取出，放入已预热至400℃热压设备模具内，按2℃/min升温至600℃保温2小时，然后在3mm/s的工作速度和30MPa的压力下挤压成型。
在电火花线切割、铣床加工等机械加工后得到梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料。复合材料硅铝层厚度为3mm，碳化硅/硅铝层厚度为1.5mm，碳化硅铝层厚度为9mm。硅铝层中硅的体积分数为35％，碳化硅铝层中碳化硅的体积分数为60％，硅铝层和碳化硅铝层的热膨胀系数分别为14×10﹣6/K和9×10﹣6/K，硅铝层和碳化硅铝层的热导率分别为100W/m×K和150W/m×K。
表1 实施例
Claims (4)
1.一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料，其特征在于：所述复合材料具有层状结构，依次由硅铝层、碳化硅/硅铝层、碳化硅铝层组成；所述硅铝层中，硅的体积分数为15%~35%，铝的体积分数为65%~85%；所述碳化硅/硅铝层中，碳化硅的体积分数为15%~35%，硅的体积分数为15%~35%，铝的体积分数为30%~70%；所述碳化硅铝层中，碳化硅的体积分数为45%~65%，铝的体积分数为35%~55%。
2.根据权利要求1所述的一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料，其特征在于：所述硅铝层厚度为1~3mm；所述碳化硅/硅铝层厚度为1~2mm；所述碳化硅铝层厚度>1mm。
3.一种权利要求1或2所述的梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：球磨机混粉：计算称取各层原料的粉末，分别加入球磨罐干混至少4小时，分别得到3种不同成分的合金粉末；
步骤二：布粉：首先制得铝制包套，然后按顺序铺设粉末，即先将碳化硅铝层铺设在包套底层，再将碳化硅/硅铝层铺设于底层上边，最后将硅铝层铺设于最顶层；
步骤三：抽真空：将铝制包套焊上铝制细管，然后连接真空泵，再送入电阻炉中加热至400℃抽真空，保证铝制包套内最终的真空度在1×10-4Pa以下；
步骤四：采用热压的方法制备梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料：将已抽真空的铝制包套取出直接放入预热至400℃的模具之中，按照2℃/min的升温速率升温至600℃保温2h后热压，采用30MPa压力挤压成型。
4.根据权利要求3所述的一种梯度硅铝-碳化硅铝电子封装复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，球料比为1：1，球磨转速为100r/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 150000 Room 305, building a, No. 20, Xinghai Road, Pingfang District, Harbin City, Heilongjiang Province Applicant after: Harbin Ding Ding Institute of new Mstar Technology Ltd. Address before: 150000 Expo Road 298, Songbei District, Harbin City, Heilongjiang Province Applicant before: Harbin Ding Ding Institute of new Mstar Technology Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Gradient silicon aluminum silicon aluminum carbide electronic packaging composite material and preparation method thereof Effective date of registration: 20210827 Granted publication date: 20210406 Pledgee: Heilongjiang Xinzheng financing guarantee Group Co.,Ltd. Pledgor: Harbin Ding Ding Institute of new Mstar Technology Ltd. Registration number: Y2021230000039 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20211119 Granted publication date: 20210406 Pledgee: Heilongjiang Xinzheng financing guarantee Group Co.,Ltd. Pledgor: Harbin Ding Ding Institute of new Mstar Technology Ltd. Registration number: Y2021230000039 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A gradient silicon aluminum silicon carbide aluminum electronic packaging composite material and its preparation method Effective date of registration: 20230925 Granted publication date: 20210406 Pledgee: Heilongjiang Xinzheng financing guarantee Group Co.,Ltd. Pledgor: Harbin Ding Ding Institute of new Mstar Technology Ltd. Registration number: Y2023230000081 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |