CN115255366A - 一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法。本发明所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法包括以下步骤：S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；S5：精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。本发明通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳，具有良好的可操作性，提高材料利用率和成型效率。

Description

一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法
技术领域
本发明涉及金属材料和电子封装材料制备技术领域，特别是涉及一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法。
背景技术
电子封装壳体材料主要包括铝、铜、铍、Kovar、W-Cu等合金，其中，铝和铜等金属的热导率较高且易于加工，但是热膨胀系数与芯片主要材料Si和GaAs相差较大，在电子器件工作时，温度的瞬时差异会产生较大的热应力，导致材料劣化甚至失效。铍及铍合金有毒，对人体伤害较大，难以满足电子封装材料对环境友好方面的要求。Kovar合金(Fe-Co-Ni合金)、Invar合金(Fe-Ni合金)、W-Cu合金和Mo-Cu合金等是应用比较广泛的电子封装材料，但是铜合金和Mo-Cu合金的密度较高且刚度较低，对于高集成度和大功率的电子器件，Kovar合金和Nivar合金的热导率较低导致热量不易扩散等缺点，这成为影响其使用效能的重要缺陷。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元器件对封装性能和使用性能的要求，比如热膨胀系数匹配、轻量化、气密性封焊等。
高硅铝合金除了具有优良的机械性能、导热、热膨胀等性能外，还容易实现激光焊接和机加工，成为新一代综合性能优异的金属基电子封装材料。采用高硅铝合金制备的电子封装外壳具有质量轻，热膨胀系数低，热传导性能较好，以及高的强度和刚度，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊，易于精密机加工、无毒等优越性能。随着Si含量升高，高硅铝合金的热膨胀系数逐渐降低，但是合金的脆性明显提高，导致难以机加工成型，同时激光焊接性能显著下降。
层状材料是一种构成要素(如成分、组织等)和性能在几何空间上非连续变化的新型材料，其在复杂环境下使用时，要比均质材料具有更大的优势。对于电子封装外壳用层状材料，设计的目的是为了获得最佳的材料组分和组成分布，优化其在制备和服役过程中所产生的热应力大小及其分布状况。然而，层状材料的非连续结构也给材料制备和电子封装外壳加工带来很大困难，比如各功能层成分和尺寸的控制、功能层之间的结合性能以及各功能层的微观组织控制。
专利号为CN113001108A的专利公开了一种高硅铝合金电子封装壳体及其制造方法，具体地通过喷射沉积法逐层制备出高硅铝合金梯度材料锭坯，致密化处理，切割锭坯形成电子封装壳体结构，退火处理后得到成品。此方法，功能层厚度和平直性控制难度大，并且需要对锭坯切割加工成凹槽状的电子封装外壳结构，加工量大，材料利用率低。
专利号为CN109706353B的专利公开了一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成型方法，具体的采用选区激光熔化技术，将铝硅合金粉末铺设于成型缸表面，通过激光烧结完成一层二维图形的打印，之后调整已打印层的高度，保持打印层和工作台的上表面在同一水平面，然后进行后一层二维图形的打印，如此重复直至完成整个铝硅梯度材料的打印成型，但50％～70％Si含量的高硅铝合金热匹配层的激光熔化成型性能差，成型质量较低。
发明内容
基于此，本发明提供一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法，通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳，该制备方法具有良好的可操作性，可以有效提高材料利用率和成型效率。
一种梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，包括以下步骤
S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；
S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；
S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；
S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；
S5：将步骤S4得到地梯度结构电子封装外壳粗坯进行精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。
本发明通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳。
喷射沉积的快速凝固过程能够有效细化高硅铝合金中Si相尺寸并控制其形貌，结合热等静压能够实现锭坯的致密化，预先成型高硅铝合金板材作为热匹配层，有利于控制其厚度和平整度，减少甚至避免脆性高硅铝合金的加工，同时提高层状结构的可控性和精度，具有良好的可操作性。封焊层采用低硅合金可以确保良好的机加工和激光焊接性能，同时也具有良好的增材制造成型性，直接采用增材制造方法成型可以获得近终形状的外壳侧壁和壳内凸台，减少后续加工量，提高材料利用率和成型效率。
进一步地，步骤S1中，高硅铝合金锭坯中Si含量为50％～70％，其热膨胀系数小于12×10-6/K，热导率大于100W/mK，抗拉强度大于110MPa，抗弯强度大于150MPa，其性能满足热匹配层的性能要求。
进一步地，步骤S1中，所述高硅铝合金锭坯的尺寸不小于
Figure BDA0003772461240000031
致密度不低于99.5％。确保不同部位组织的均一性。
进一步地，步骤S2中，高硅铝合金锭坯加工方法包括以下步骤：
A1：采用线切割取料，表面磨削得到所需尺寸的高硅铝合金板材；
A2：将步骤A1得到的高硅铝合金板材进行超声波清洗，并在60～80℃下干燥2～6h，得到热匹配层。
表面磨削后的高硅铝合金板材的尺寸为电子封装外壳热匹配层的尺寸，后续基本上不需要对高硅铝合金进行精密加工，减少甚至避免脆性高硅铝合金的精密加工。超声波清洗，除去加工和磨削残留在表面的杂质，一遍进行下一步侧壁的制备。
进一步地，步骤S3中，堆积制备外壳侧壁和壳内凸台前，还包括对所述热匹配层进行预热，预热温度为400～500℃，保护气体为氩气。预热可以促进增材制造低硅合金层与高硅合金层形成良好的界面结合，防止由于热膨胀不匹配产生应力而出现界面开裂。
进一步地，步骤S3中，制备的外壳侧壁和壳内凸台留0.2～0.5mm的加工余量。
进一步地，步骤S3中，所述外壳侧壁和壳内凸台中Si含量为12％～50％。
进一步地，步骤S4中所述加热加压处理包括以下步骤：
B1：通过机加工将梯度结构电子封装外壳粗坯的上下表面加工成平整表面；
B2：将步骤B2中加工后的梯度结构电子封装外壳粗坯置于平整的不锈钢板之间，加热，加压，保温，保温结束后随炉冷却至50℃以下，去除施加的压力和不锈钢板。
所述上下表面分别为热匹配层的底面和侧壁的上表面，将外壳放置于平整的不锈钢板之间施加温度和压力，确保加热加压过程中外壳不会发生变形。
进一步地，加热温度为400～500℃，压力为50～100MPa，保温时间为4～12h。加热加压处理，通过固态扩散提高低硅合金层与高硅合金层的界面结合力并改善低硅合金的微观组织。
本发明还提供一种高硅铝合金电子封装壳体，由上述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法制备得到。
本发明具有的有益效果包括：
(1)具有层状结构的电子封装外壳，热匹配层满足低膨胀系数要求，而封焊层满足机加工和激光焊接要求，并且可以根据应用需求设计不同层状结构，符合大功率、高可靠性气密性封装外壳的技术发展趋势。
(2)预先成型高硅铝合金板材作为热匹配层，有利于控制其厚度和平整度，减少甚至避免脆性高硅铝合金的加工，同时提高层状结构的可控性和精度，具有良好的可操作性。
(3)封焊层采用低硅合金可以确保良好的机加工和激光焊接性能，同时也具有良好的增材制造成型性，直接采用增材制造方法成型可以获得近终形状的外壳侧壁和壳内凸台，减小后续加工量，提高材料利用率和成型效率；同时，可以在热匹配层和封焊层中堆积不同Si含量的过渡层，层状结构的可控性强。
(4)梯度结构电子封装外壳通过加热加压处理既可以提高高硅合金层与低硅合金层的界面结合力，同时改善低硅合金的微观组织而提高力学性能。
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为实施例1中Al-27Si/Al-50Si双层高硅铝外壳。
图2为实施例2中Al-12Si/Al-42Si/Al-70Si三层外壳结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的相关内容，下面结合具体实施例，对本发明提供的一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下具体实施例的限制。
实施例1
本实施例中制备一种Al-27Si/Al-50Si梯度结构电子封装外壳，具体步骤如下：
(1)采用喷射沉积和热等静压制备Al-50Si合金锭坯，锭坯尺寸为
Figure BDA0003772461240000041
合金热膨胀系数为11.2±0.5×10-6/K，热导率为140±10W/mK，抗拉强度为140±20MPa，抗弯强度为180±20MPa。
(2)Al-50Si合金锭坯采用线切割取料，尺寸为21×26×2.6mm，表面磨削后得到20×25mm×2.0板材，采用超声波清洗并于80℃干燥2h。
(3)采用激光选区熔化方法在Al-50Si合金板材上堆积外壳侧壁和壳内凸台等Al-27Si合金，增材制造前将Al-50Si合金板材在氩气保护下加热到400℃，外壳侧壁和壳内凸台留0.2～0.5mm的加工余量，Al-27Si合金的堆积高度为6mm，获得Al-27Si/Al-50Si外壳。
(4)Al-27Si/Al-50Si外壳通过机加工获得平整的上下表面后进行加热加压处理，加热温度为400℃，保温时间为12h，压力为100MPa，将外壳放置于平整的不锈钢板之间施加温度和压力，保温结束后随炉冷却至50℃以下，去除施加的压力和不锈钢板。
(5)根据产品尺寸和精度要求，Al-27Si/Al-50Si外壳采用精雕机进行内外加工，去除0.2～0.5mm余量后得到梯度结构电子封装外壳。
实施例2
本实施例中制备Al-12Si/Al-42Si/Al-70Si梯度结构电子封装外壳，具体步骤如下：
(1)采用喷射沉积和热等静压制备Al-70Si合金锭坯，锭坯尺寸为
Figure BDA0003772461240000051
合金热膨胀系数为7.5±0.5×10-6/K，热导率为110±10W/mK，抗拉强度为120±20MPa，抗弯强度为220±20MPa。
(2)Al-70Si合金锭坯采用线切割取料，尺寸为21×26×2.6mm，表面磨削后得到20×25mm×2.0板材，采用超声波清洗并于80℃干燥2h。
(3)采用激光选区熔化方法在Al-70Si合金板材上堆积外壳侧壁和壳内凸台等结构，增材制造前将Al-70Si合金板材加热到50℃，外壳侧壁和壳内凸台留0.2～0.5mm的加工余量，首先堆积Al-42Si合金作为过渡层，高度为2.0±0.2mm，获得Al-42Si/Al-70Si层状外壳。
(4)Al-42Si/Al-70Si层状外壳的基础上，将其在氩气保护下加热至450℃，继续在Al-42Si合金上方堆积Al-12Si合金，高度为4.0±0.2mm，获得Al-12Si/Al-42Si/Al-70Si层状外壳
(5)Al-12Si/Al-42Si/Al-70Si外壳通过机加工获得平整的上下表面后进行加热加压处理，加热温度为500℃，保温时间为4h，压力为100MPa，将外壳放置于平整的不锈钢板之间施加温度和压力，保温结束后随炉冷却至50℃以下，去除施加的压力和不锈钢板。
(6)根据产品尺寸和精度要求，Al-12Si/Al-42Si/Al-70Si外壳采用精雕机进行内外加工，去除0.2～0.5mm余量后得到梯度结构电子封装外壳。
其结构参见图2，电子封装外壳包括热匹配层1、过渡层2和焊封层3，所述过渡层2和焊封层3为边框，由下到上依次设置于热匹配层上。
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，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：包括以下步骤
S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；
S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；
S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；
S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；
S5：将步骤S4得到地梯度结构电子封装外壳粗坯进行精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。
2.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S1中，高硅铝合金锭坯中Si含量为50％～70％。
3.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S1中，所述高硅铝合金锭坯的尺寸不小于
Figure FDA0003772461230000011
致密度不低于99.5％。
4.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S2中，高硅铝合金锭坯加工方法包括以下步骤：
A1：采用线切割取料，表面磨削得到所需尺寸的高硅铝合金板材；
A2：将步骤A1得到的高硅铝合金板材进行超声波清洗，并在60～80℃下干燥2～6h，得到热匹配层。
5.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S3中，堆积制备外壳侧壁和壳内凸台前，还包括对所述热匹配层进行预热，预热温度为400～500℃，保护气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S3中，制备的外壳侧壁和壳内凸台留0.2～0.5mm的加工余量。
7.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S3中，所述外壳侧壁和壳内凸台中Si含量为12％～50％。
8.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S4中所述加热加压处理包括以下步骤：
B1：通过机加工将梯度结构电子封装外壳粗坯的上下表面加工成平整表面；
B2：将步骤B2中加工后的梯度结构电子封装外壳粗坯置于平整的不锈钢板之间，加热，加压，保温，保温结束后随炉冷却至50℃以下，去除施加的压力和不锈钢板。
9.根据权利要求8所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：加热温度为400～500℃，压力为50～100MPa，保温时间为4～12h。
10.一种梯度结构电子封装外壳，其特征在于：由权利要求1～9一项所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法制备得到。
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