CN113308650A - 封装壳体复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种封装壳体复合材料及其制备方法和应用，涉及半导体技术领域。所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到，上述复合材料不含有硅，主要由碳纤维和铝粉制得，由于碳纤维导热系数可以达到28，远远大于硅的导热系数0.21，因此，复合材料的导热性能和强度均有较大的提升；同时上述复合材料中还包括稀土元素，进而使其具有了抗辐射、吸收中子、带电粒子的技术效果。由原料的选择所决定，本申请由上述铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到的封装壳体复合材料具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能。

Description

封装壳体复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种封装壳体复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济的发展，社会的进步，科技技术的发展已经成为必然和社会共识。封装壳体被广泛应用于半导体芯片封装、航空航天、微波通讯、电子元器件等，并朝着各种器件多功能集成化、小型化、可靠性、稳定性、环保、等特点的方向发展。
然而现有封装壳体材料多为单一材料、强度、导热、膨胀系数等性能固定，不能同时满足导热条件，膨胀系数、强度激光封焊的条件，进而很难实现壳体多功能化。同时，目前封装壳体的材料多为铝硅复合材料，铝硅材料脆性大强度低、重量也较重。
因此，研究开发出一种封装壳体复合材料，该复合材料具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能，变得十分必要和迫切。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种封装壳体复合材料，所述封装壳体复合材料具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能，有效缓解了现有封装壳体材料普遍为单一材料或铝硅复合材料，所导致的强度低、质量重、膨胀率高等问题。
本发明的第二目的在于提供一种封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法具有制备工艺简单，易于操作的优势。
本发明的第三目的在于提供一种封装壳体复合材料的应用，所述封装壳体复合材料可以广泛应用于半导体芯片封装壳体产品的制备过程中。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供的一种封装壳体复合材料，所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到。
进一步的，按质量百分数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉30～70％、碳纤维29.9～69.9％和稀土元素0.1～3％；所述封装壳体复合材料中各组分的质量百分数之和为100％。
进一步的，按质量份数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉60％、碳纤维37％和稀土元素3％。
进一步的，所述碳纤维的直径为5～8um，长度为20～40um。
进一步的，所述铝粉的中值粒径为3～6um，且最大粒径小于12um。
进一步的，所述稀土元素包括铈、钆、铕、镝、钐、钷中的至少一种；
本发明提供的一种上述封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(a)、提供铝粉、碳纤维和稀土元素，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
(b)、将步骤(a)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料。
进一步的，所述步骤(a)在保护性气氛下充分混匀的方法包括：在保护性气氛下气流旋风混匀25～35min；
或，混充保护性气体25～35min；
优选地，所述保护性气氛为惰性气体。
进一步的，所述步骤(b)真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为500～580℃，热压时间为2～3h。
本发明提供的一种上述封装壳体复合材料在制备半导体芯片封装壳体产品中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的封装壳体复合材料，所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到，上述复合材料不含有硅，主要由碳纤维和铝粉制得，由于碳纤维导热系数可以达到28，远远大于硅的导热系数0.21，因此，复合材料的导热性能和强度均有较大的提升；同时上述复合材料中还包括稀土元素，进而使其具有了抗辐射、吸收中子、带电粒子的技术效果。由原料的选择所决定，本申请由上述铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到的封装壳体复合材料具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能，有效缓解了现有封装壳体材料普遍为单一材料或铝硅复合材料，所导致的强度低、质量重、膨胀率高等问题。
本发明提供的封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法首先提供铝粉、碳纤维和稀土元素，随后在保护性气氛下充分混匀得到混合粉末；然后将混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料。上述制备方法具有制备工艺简单，易于操作的优势。
本发明提供的封装壳体复合材料可以广泛应用于半导体芯片封装壳体产品的制备过程中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的用于在真空条件下热压成型的真空高压炉的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
根据本发明的一个方面，一种封装壳体复合材料，所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到。
本发明提供的封装壳体复合材料，所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到，上述复合材料不含有硅，主要由碳纤维和铝粉制得，由于碳纤维导热系数可以达到28，远远大于硅的导热系数0.21，因此，复合材料的导热性能和强度均有较大的提升；同时上述复合材料中还包括稀土元素，进而使其具有了抗辐射、吸收中子、带电粒子的技术效果。由原料的选择所决定，本申请由上述铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到的封装壳体复合材料具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能，有效缓解了现有封装壳体材料普遍为单一材料或铝硅复合材料，所导致的强度低、质量重、膨胀率高等问题。
在本发明的一种优选实施方式中，按质量百分数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉30～70％、碳纤维29.9～69.9％和稀土元素0.1～3％；所述封装壳体复合材料中各组分的质量百分数之和为100％。
作为一种优选的实施方式，上述铝粉典型但非限制性的优选实施方案为：30％、40％、50％、60％、65％和70％；上述碳纤维典型但非限制性的优选实施方案为：29.9％、30％、40％、50％、60％、65％和69.9％；上述稀土元素典型但非限制性的优选实施方案为：0.1％、1％、1.5％、2％、2.5％和3％。
在本发明的一种优选实施方式中，按质量份数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉60％、碳纤维37％和稀土元素3％。
本发明中，通过对各组分原料用量比例的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明封装壳体复合材料的技术效果。
在本发明的一种优选实施方式中，所述碳纤维的直径为5～8um，长度为20～40um。
在本发明的一种优选实施方式中，所述铝粉的中值粒径为3～6um，且最大粒径小于12um。
在本发明的一种优选实施方式中，所述稀土元素包括铈、钆、铕、镝、钐、钷中的至少一种；
根据本发明的一个方面，一种上述封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(a)、提供铝粉、碳纤维和稀土元素，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
(b)、将步骤(a)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料。
本发明提供的封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法首先提供铝粉、碳纤维和稀土元素，随后在保护性气氛下充分混匀得到混合粉末；然后将混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料。上述制备方法具有制备工艺简单，易于操作的优势。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(a)在保护性气氛下充分混匀的方法包括：在保护性气氛下气流旋风混匀25～35min；
或，混充保护性气体25～35min；
在上述优选实施方式中，所述保护性气氛为惰性气体。
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤(b)真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为500～580℃，热压时间为2～3h。
作为一种优选的实施方式，真空条件下保证铝和碳纤维自生材料性能不会发生变化，真空条件600度以下碳纤维性能不会发生变化，大部分金属材料单质粒度到um级很容易氧化、形成氧化膜会造成材料各种性能下降、合成温度也会提高、致密度下降、材料自身强度下降、导热等下降，复合材料再真空条件下能保证再高温条件下不被空气氧化。
优选地，所述封装壳体复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、以如下质量百分比，提供铝粉、碳纤维和稀土元素：
铝粉30～70％、碳纤维29.9～69.9％和稀土元素0.1～3％；
其中，所述碳纤维的直径为5～8um，长度为20～40um；所述铝粉的中值粒径为3～6um，且最大粒径小于12um；所述稀土元素包括铈、钆、铕、镝、钐、钷中的至少一种；
(2)、将步骤(1)提供的各原料混匀，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
其中，在保护性气氛下充分混匀的方法为：在保护性气氛下气流旋风混匀25～35min；或，混充保护性气体25～35min；
所述保护性气氛为惰性气体；
(3)、将步骤(2)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料；
所述真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为500～580℃，热压时间为2～3h。
根据本发明的一个方面，一种上述封装壳体复合材料在制备半导体芯片封装壳体产品中的应用。
本发明提供的封装壳体复合材料可以广泛应用于半导体芯片封装壳体产品的制备过程中。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明。
实施例1
一种封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)、以如下质量百分比，提供铝粉、碳纤维和稀土元素：
铝粉30％、碳纤维69.9％和稀土元素0.1％；
其中，所述碳纤维的直径为8um，长度为40um；所述铝粉的中值粒径为6um，且最大粒径小于12um；所述稀土元素由铈、钆、铕以1：1：1的质量比复配得到。
(2)、将步骤(1)提供的各原料混匀，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
其中，在保护性气氛下充分混匀的方法为：在保护性气氛下气流旋风混匀35min；或，混充保护性气体35min；
所述保护性气氛为惰性气体；
(3)、如图1所示，将步骤(2)得到的混合粉末放置于真空高压炉中，在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料；
所述真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为580℃，热压时间为3h。
图1为本实施例所使用的真空高压炉的结构示意图。
实施例2
一种封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)、以如下质量百分比，提供铝粉、碳纤维和稀土元素：
铝粉70％、碳纤维27％和稀土元素3％；
其中，所述碳纤维的直径为5um，长度为20um；所述铝粉的中值粒径为3um，且最大粒径小于12um；所述稀土元素由铈、钆、铕以1：1：1的质量比复配得到。
(2)、将步骤(1)提供的各原料混匀，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
其中，在保护性气氛下充分混匀的方法为：在保护性气氛下气流旋风混匀25min；或，混充保护性气体25min；
所述保护性气氛为惰性气体；
(3)、将步骤(2)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料；
所述真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为500℃，热压时间为2h。
实施例3
一种封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)、以如下质量百分比，提供铝粉、碳纤维和稀土元素：
铝粉60％、碳纤维37％和稀土元素3％；
其中，所述碳纤维的直径为6um，长度为30um；所述铝粉的中值粒径为5um，且最大粒径小于12um；所述稀土元素由铈、钆、铕以1：1：1的质量比复配得到。
(2)、将步骤(1)提供的各原料混匀，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
其中，在保护性气氛下充分混匀的方法为：在保护性气氛下气流旋风混匀30min；
所述保护性气氛为惰性气体；
(3)、将步骤(2)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料；
所述真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为550℃，热压时间为2.5h。
对比例1
一种封装壳体复合材料的制备方法，所述制备方法除将步骤(1)中的碳纤维替换为硅粉外，其余同实施例3。
实验例1
为表明本申请封装壳体复合材料，具有高强度、低膨胀的优势，同时还具有满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能。现特对实施例1～3以及对比例1制备得到的封装壳体复合材料进行检测，具体检测结果如下：
组别 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
铝含量 30％ 70％ 60％ 60％
密度 1.94 2.35 2.26 2.7
膨胀系数 4 16 15 20
强度MPa 2000 800 1200 145
导热W/(m.K) 200 160 180 100
抗辐射、电磁屏蔽 有 有 有 无
由上述可知，本申请实施例1～3制得的封装壳体复合材料，具有高强度、低膨胀的优势，同时还能充分满足航空航天的轻量化、小型化、抗辐射、屏蔽带电粒子、中子的功能需要。上述技术效果的取得是通过本申请原料的选择复配所得到的。
具体的，本领域技术人员明了，铝的密度为2.7、膨胀系数为23、强度为300～400Mpa，导热系数为230W/(m.K)；同时，硅的密度为2.3、膨胀系数为2.5，导热系数为0.21W/(m.K)。
而本申请利用碳纤维替代了“硅”制备封装壳体复合材料，碳纤维的密度仅为2.3(相对于铝硅复合材料明显减轻了重量，重量最大减轻17％)、导热系数为28W/(m.K)远远大于硅的导热系数0.21、复合材料导热会有很大提升，而且碳纤维是负膨胀材料，强度更是高达3500Gpa，因此，本申请复合材料相对于现有对比例1制得的铝硅封装壳体材料的强度和与芯片的匹配范围均会有明显增强。此外，本申请封装壳体复合材料中还包括稀有元素，进而相对于现有的铝硅封装壳体材料还具有抗辐射、吸收中子和带电粒子的功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种封装壳体复合材料，其特征在于，所述封装壳体复合材料主要由铝粉、碳纤维和稀土元素经真空热压制备得到。
2.根据权利要求1所述的封装壳体复合材料，其特征在于，按质量百分数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉30～70％、碳纤维29.9～69.9％和稀土元素0.1～3％；所述封装壳体复合材料中各组分的质量百分数之和为100％。
3.根据权利要求1所述的封装壳体复合材料，其特征在于，按质量份数计，所述封装壳体复合材料包括：
铝粉60％、碳纤维37％和稀土元素3％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的封装壳体复合材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为5～8um，长度为20～40um。
5.根据权利要求1～3任一项所述的封装壳体复合材料，其特征在于，所述铝粉的中值粒径为3～6um，且最大粒径小于12um。
6.根据权利要求1～3任一项所述的封装壳体复合材料，其特征在于，所述稀土元素包括铈、钆、铕、镝、钐、钷中的至少一种。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的封装壳体复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(a)、提供铝粉、碳纤维和稀土元素，随后在保护性气氛下充分混匀，得到混合粉末；
(b)、将步骤(a)得到的混合粉末在真空条件下热压成型，得到封装壳体复合材料。
8.根据权利要求7所述的封装壳体复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)在保护性气氛下充分混匀的方法包括：在保护性气氛下气流旋风混匀25～35min；
或，混充保护性气体25～35min；
优选地，所述保护性气氛为惰性气体。
9.根据权利要求7所述的封装壳体复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)真空条件下热压成型的真空度为1×10-3Mpa，热压温度为500～580℃，热压时间为2～3h。
10.一种根据权利要求1～6任一项所述的封装壳体复合材料在制备半导体芯片封装壳体产品中的应用。
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