CN110508919B - 一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法，其是首先通过传统铸造方法获得不同硅含量的铝硅合金板材；然后通过快速凝固法对各铝硅合金板材进行细化，获得薄带状铝硅合金；再将相同硅含量的薄带状铝硅合金叠加、超声波焊接，获得所需厚度的块状铝硅合金；最后按需将不同硅含量的块状铝硅合金叠加后，热压成型，即获得梯度铝硅电子封装材料。本发明综合采用快速凝固法、超声波焊接和热压法多种先进制备工艺，在保持相对较高的硅含量的前提下，得到了铝基体和细小的硅相两相均匀分布的近乎于完全致密化的梯度铝硅电子封装材料，具有操作简单、设备简易、孔隙率低、性能优异、梯度渐变性可控、绿色环保、技术成熟等优点。

Description

一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法。

背景技术

铝硅合金作为新一代电子封装材料，具有密度低、导热性能好、热膨胀系数低、比强度和比刚度高等优点，得到国内外科技工作者的广泛关注，有望在航天航空、电子科技中得到广泛应用。近些年来，随着铝硅电子封装材料在航天航空等领域的应用研究不断深入，需要新型技术改善铝硅合金封装材料，使其满足各种生产需求，梯度功能铝硅材料应运而生。

目前已开发的梯度铝硅电子封装材料的制备方法有：(1)激光加热合成法。该法具有烧结无污染、高效率等优点，但是成本较高、技术难度大，因此应用较少。(2)干式喷涂+温度梯度烧结法。该法实验过程比较复杂，且对设备要求高。(3)气相沉积法。该法基于制备工艺、结构形成与性能三者之间关系，要求严格，难以实现。由于上述各种方法原理不同、制备工艺不同、使用范围不尽相同，各有优缺点，因此制备出的电子封装材料尺寸大小、组织和性能等各不相同。

甩带是通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼金属的一种快速凝固方法，因为其冷却速率很大，可制备出无偏析或少偏析的超细晶材料。超声波焊接作为新型焊接方法，能有效焊接不同厚度的有色金属箔、片、带材，尤其是对最难焊接的铝及其合金材料的焊接质量，更能突出其无可比拟的优越性能。热压烧结是通过在烧结过程中施加外在压力以促进材料致密化，相比较而言，材料可以在比无压烧结低几十甚至几百摄氏度的温度下达到致密状态，且晶粒生长较少，可获得细晶粒的材料。

若能结合甩带法、超声波焊接和热压法制备细晶粒高性能的梯度铝硅电子封装材料，将会极大改进现有的制备方法。

发明内容

本发明旨在提供一种制备梯度铝硅电子封装材料的新方法。

本发明为实发明目的，采用如下技术方案：

本发明梯度铝硅电子封装材料的制备方法，其特点在于：首先通过传统铸造方法获得不同硅含量的铝硅合金板材；然后通过快速凝固法对各铝硅合金板材进行细化，获得薄带状铝硅合金；再将相同硅含量的薄带状铝硅合金叠加、超声波焊接，获得所需厚度的块状铝硅合金；最后按需将不同硅含量的块状铝硅合金叠加后，热压成型，即获得梯度铝硅电子封装材料。具体包括如下步骤：

(1)板材制备

采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量在12％-60％范围的、不同硅含量的铝硅合金板材；对各铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；将表面处理后各铝硅合金板材放在酒精中备用；

(2)快速凝固法细化

将各铝硅合金板材分别放置在甩带机的腔体内，设置甩带温度为高于相应铝硅合金板材熔点30～50℃、铜锟旋转速度为600rpm～1600rpm，甩出后即获得不同硅含量的薄带状铝硅合金；

(3)超声波焊接

将步骤(2)中相同硅含量的薄带状铝硅合金裁剪为所需长度，然后沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得所需厚度的块状铝硅合金；

将不同硅含量的薄带状铝硅合金依次处理，即获得若干不同硅含量的块状铝硅合金；

(4)热压成型

按需将不同硅含量的块状铝硅合金沿厚度方向逐层叠加，然后用石墨纸包裹后放入石墨模具中；再将模具放入真空钎焊炉中热压成型，热压温度为200℃～600℃、压力为200MPa～500MPa、保温时间为1h～4.5h，即获得梯度铝硅电子封装材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明综合采用快速凝固法、超声波焊接和热压法多种先进制备工艺，在保持相对较高的硅含量的前提下，得到了铝基体和细小的硅相两相均匀分布的近乎于完全致密化的梯度铝硅电子封装材料，具有操作简单、设备简易、孔隙率低、性能优异、梯度渐变性可控、绿色环保、技术成熟等优点。

2、在加工过程中，通过快速凝固制备铝硅合金，可以获得颗粒细小的铝硅合金材料，性能优异；通过超声波焊接制备块材，避免了气体、夹渣、裂纹等缺陷；通过热压烧结所得梯度材料，片层组织不仅晶粒结构均匀细小、致密度高，而且降低了孔隙率、提高了导电性。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例按如下步骤制备梯度铝硅电子封装材料：

(1)板材制备

采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量分别为60％、50％、40％、30％，厚度为10mm的铝硅合金板材，具体方法为：将180g硅块与120g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为60％的铝硅合金板材；将150g硅块与150g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为50％的铝硅合金板材；将120g硅块与180g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为40％的铝硅合金板材；将90g硅块与210g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为30％的铝硅合金板材。

对各铝硅合金板材进行线切割，截取10mm×10mm×10mm的小块，然后对其上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；将表面处理后各铝硅合金板材放在酒精中备用。

(2)快速凝固法细化

将各铝硅合金板材分别放置在甩带机的腔体内，设置甩带温度(对应硅含量分别为60％、50％、40％、30％的铝硅合金板材的甩带温度依次为1150℃、1050℃、930℃、830℃)和铜锟旋转速度(对应硅含量分别为60％、50％、40％、30％的铝硅合金板材的旋转速度都为700r/min)；甩出后即获得硅含量分别为60％、50％、40％、30％，宽4.5mm、厚0.03mm的薄带状铝硅合金。

(3)超声波焊接

将步骤(2)中的薄带状铝硅合金裁剪成相同大小的片状，然后用砂纸轻轻擦拭表面以去除表面粘附的污物、油漆、氧化皮等，再用丙酮溶液浸泡、用酒精棉擦洗，最后用超声清洗技术使用浓度大于95％的酒精进行彻底清洗。

将35片硅含量为60％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为60％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1800N；将35片硅含量为50％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为50％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1700N；将35片硅含量为40％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为40％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1600N；将35片硅含量为30％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为30％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1500N。

(4)热压成型

从下至上，将硅含量依次为60％、50％、40％、30％的块状铝硅合金依次叠加，然后用石墨纸包裹后放入石墨模具中，并用石墨纸填充空隙；再将模具放入真空钎焊炉中热压成型，热压温度为600℃、压力为500MPa、保温时间为3h，即获得硅含量依次为60％、50％、40％、30％的梯度铝硅电子封装材料

实施例2

本实施例按如下步骤制备梯度铝硅电子封装材料：

(1)板材制备

采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量分别为50％、45％、40％、35％、30％，厚度为10mm的铝硅合金板材，具体方法为：将150g硅块与150g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为50％的铝硅合金板材；将135g硅块与165g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为45％的铝硅合金板材；将120g硅块与180g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为40％的铝硅合金板材；将105g硅块与195g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为35％的铝硅合金板材；将90g硅块与210g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为30％的铝硅合金板材。

对各铝硅合金板材进行线切割，截取10mm×10mm×10mm的小块，然后对其上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；将表面处理后各铝硅合金板材放在酒精中备用。

(2)快速凝固法细化

将各铝硅合金板材分别放置在甩带机的腔体内，设置甩带温度(对应硅含量分别为50％、45％、40％、35％、30％的铝硅合金板材的甩带温度依次为1050℃、980℃、930℃、900℃、830℃)和铜锟旋转速度(对应硅含量分别为50％、45％、40％、35％、30％的铝硅合金板材的旋转速度都为700r/min)；甩出后即获得硅含量分别为50％、45％、40％、35％、30％，宽4.5mm、厚0.03mm的薄带状铝硅合金。

(3)超声波焊接

将步骤(2)中的薄带状铝硅合金裁剪成相同大小的片状，然后用砂纸轻轻擦拭表面以去除表面粘附的污物、油漆、氧化皮等，再用丙酮溶液浸泡、用酒精棉擦洗，最后用超声清洗技术使用浓度大于95％的酒精进行彻底清洗。

将35片硅含量为50％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为50％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1700N；将35片硅含量为45％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为45％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1600N；将35片硅含量为40％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为40％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1600N；将35片硅含量为35％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为35％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1500N；将35片硅含量为30％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为30％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1500N。

(4)热压成型

从下至上，将硅含量依次为50％、45％、40％、35％、30％的块状铝硅合金依次叠加，然后用石墨纸包裹后放入石墨模具中，并用石墨纸填充空隙；再将模具放入真空钎焊炉中热压成型，热压温度为600℃、压力为500MPa、保温时间为3h，即获得硅含量依次为50％、45％、40％、35％、30％的梯度铝硅电子封装材料。

实施例3

本实施例按如下步骤制备梯度铝硅电子封装材料：

(1)板材制备

采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量分别为40％、35％、30％、25％、20％，厚度为10mm的铝硅合金板材，具体方法为：将120g硅块与180g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为40％的铝硅合金板材；将105g硅块与195g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为35％的铝硅合金板材；将90g硅块与210g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为30％的铝硅合金板材；将75g硅块与225g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为25％的铝硅合金板材；将60g硅块与240g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为10mm的板状材料，获得硅含量为20％的铝硅合金板材。

对各铝硅合金板材进行线切割，截取10mm×10mm×10mm的小块，然后对其上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；将表面处理后各铝硅合金板材放在酒精中备用。

(2)快速凝固法细化

将各铝硅合金板材分别放置在甩带机的腔体内，设置甩带温度(对应硅含量分别为40％、35％、30％、25％、20％的铝硅合金板材的甩带温度依次为930℃、900℃、830℃、790℃、700℃)和铜锟旋转速度(对应硅含量分别为40％、35％、30％、25％、20％的铝硅合金板材的旋转速度都为700r/min)，甩出后即获得硅含量分别为40％、35％、30％、25％、20％宽4.5mm、厚0.03mm的薄带状铝硅合金；

(3)超声波焊接

将步骤(2)中的薄带状铝硅合金裁剪成相同大小的片状，然后用砂纸轻轻擦拭表面以去除表面粘附的污物、油漆、氧化皮等，再用丙酮溶液浸泡、用酒精棉擦洗，最后用超声清洗技术使用浓度大于95％的酒精进行彻底清洗。

将35片硅含量为40％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为40％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1600N；将35片硅含量为35％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为35％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1500N；将35片硅含量为30％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为30％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1500N；将35片硅含量为25％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为25％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1400N；将35片硅含量为20％的薄带状铝硅合金沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得厚度1mm、硅含量为20％的块状铝硅合金，其焊接时间为150ms、焊接压力为1400N。

(4)热压成型

从下至上，将硅含量依次为40％、35％、30％、25％、20％的块状铝硅合金依次叠加，然后用石墨纸包裹后放入石墨模具中，并用石墨纸填充空隙；再将模具放入真空钎焊炉中热压成型，热压温度为600℃、压力为500MPa、保温时间为3h，即获得硅含量依次为40％、35％、30％、25％、20％的梯度铝硅电子封装材料。

以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于：首先通过传统铸造方法获得不同硅含量的铝硅合金板材；然后通过快速凝固法对各铝硅合金板材进行细化，获得薄带状铝硅合金；再将相同硅含量的薄带状铝硅合金叠加、超声波焊接，获得所需厚度的块状铝硅合金；最后按需将不同硅含量的块状铝硅合金叠加后，热压成型，即获得梯度铝硅电子封装材料；具体包括如下步骤：

（1）板材制备

采用铸造方法，制备出硅质量百分含量在12%-60%范围的、不同硅含量的铝硅合金板材；对各铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；将表面处理后各铝硅合金板材放在酒精中备用；

（2）快速凝固法细化

将各铝硅合金板材分别放置在甩带机的腔体内，设置甩带温度为高于相应铝硅合金板材熔点30~50℃、铜锟旋转速度为600rpm～1600rpm，甩出后即获得不同硅含量的薄带状铝硅合金；

（3）超声波焊接

将步骤（2）中相同硅含量的薄带状铝硅合金裁剪为所需长度，然后沿厚度方向整齐叠加，再通过超声波焊接的方式固定成型，获得所需厚度的块状铝硅合金；

将不同硅含量的薄带状铝硅合金依次处理，即获得若干不同硅含量的块状铝硅合金；

（4）热压成型

按需将不同硅含量的块状铝硅合金沿厚度方向逐层叠加，然后用石墨纸包裹后放入石墨模具中；再将模具放入真空钎焊炉中热压成型，热压温度为200℃～600℃、压力为200MPa～500MPa、保温时间为1h～4.5h，即获得梯度铝硅电子封装材料。