CN115692216B - 一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法 - Google Patents

一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子封装技术领域，特别涉及一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法。包括：根据使用需求确定承载电子元器件或集成电路的基底所用材料的类型、大小和位置关系；根据基底的位置范围确定轻质合金板的尺寸；根据基底的大小和位置，在轻质合金板上切割得到增材区域，增材区域与电子元器件或集成电路的大小和位置匹配；根据基底的类型选择高性能粉末，将高性能材料粉末填充增材区域；通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与轻质合金板冶金结合，得到高性能材料镶嵌于轻质合金的电子封装结构。本发明实施例提供了一种异种材质复合成型的电子封装结构，能够同时满足轻量化和高性能。

Description

一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，特别涉及一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法。
背景技术
随着我国航天航空技术产业的快速发展，军用大功率电子器件得到了更广泛领域应用。而电子器件集成化成为目前发展的主要方向。因此，封装壳体质量越来越大，航天航空技术的发展依赖于先进电子封装技术的进步，封装技术已成为半导体行业发展的关键。
航天航空系统向高性能、轻量化、小体积方向发展，传统的金属基电子封装材料无法在保证轻量化的同时，满足高性能，如低膨胀、大尺寸、轻量化、高导热、高可靠封装。
因此，针对以上不足，急需一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法，能够同时满足轻量化和高性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种异种材质复合成型的电子封装结构及其制备方法，能够提供一种同时满足轻量化和高性能的电子封装结构。
第一方面，本发明实施例提供了一种异种材质复合成型的电子封装结构的制备方法，包括：
根据使用需求确定承载电子元器件或集成电路的基底所用材料的类型、大小和位置关系；
根据所述基底的位置范围确定轻质合金板的尺寸；
根据所述基底的大小和位置，在所述轻质合金板上切割得到增材区域，所述增材区域与所述电子元器件或集成电路的大小和位置匹配；
根据所述基底的类型选择高性能粉末，将所述高性能材料粉末填充所述增材区域，所述高性能材料粉末的性能包括低膨胀、高导热、高可靠封装；
通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与所述轻质合金板冶金结合，得到高性能材料镶嵌于轻质合金的电子封装结构，其中，所述高性能材料形成所述基底。
在一种可能的设计中，所述通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与所述轻质合金板冶金结合，包括：
将装盛所述高性能材料粉末的所述轻质合金板置于包套中；
在第一预设温度下对所述包套进行真空处理；
在第二预设温度、第一预设压力下对所述包套进行热等静压处理；
去除包套后进行热处理。
在一种可能的设计中，所述第一预设温度为350～450℃。
在一种可能的设计中，所述第二预设温度为300～600℃。
在一种可能的设计中，所述第一预设压力为5～10MPa。
在一种可能的设计中，所述热处理的温度为450～580℃。
在一种可能的设计中，所述真空处理后的真空度不大于2×10-4Pa。
在一种可能的设计中，所述轻质合金板的制备材料包括铝合金、钛合金和镁合金。
在一种可能的设计中，所述高性能材料粉末的制备材料包括硅铝、碳化硅铝、钼铜、金刚石铝、可伐合金。
第二方面，本发明实施例还提供了一种异种材质复合成型的电子封装结构，根据第一方面中任一所述的制备方法制备得到。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
在本实施例中，先根据需求确定电子元器件或集成电路的类型、大小和位置关系；然后根据电子元器件或集成电路的总体规模大小确定尺寸合适的轻质合金板；在轻质合金板上切割得到与电子元器件或集成电路位置、尺寸匹配的增材区域；将高性能材料粉末填充入增材区域，压实；然后利用热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与轻质合金板实现冶金结合。轻质合金板使封装结构实现了轻质化，同时，由于电子元器件或集成电路并不是占据在轻质合金板的整个表面，因此，只需根据设计，在适合的位置切割出增材区域。具体地，根据各个电子元器件或集成电路的类型确定其需求，并根据需求确定与其最为匹配的高性能材料粉末，高性能材料粉末成型后能够为安装在其上的电子元器件或集成电路或电路板提供低膨胀、高导热、高可靠封装的优异性能。此外，轻量化的结构还能应用于大尺寸电子封装中。
在本实施例中，为了实现冶金结合，采取了热等静压工艺将轻质合金板与高性能材料粉末成型结合，结合后的界面结合强度高，热阻小，具有优异的热传导和散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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是本发明实施例提供的一种电子封装结构的平面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电子封装结构的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种电子封装结构的剖面结构示意图。
图中：
1-轻质合金板；
2-高性能材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的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。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1、2、3所示，本发明实施例提供了一种异种材质复合成型的电子封装结构的制备方法，包括：
根据使用需求确定承载电子元器件或集成电路的基底所用材料的类型、大小和位置关系；
根据基底的位置范围确定轻质合金板的尺寸；
根据基底的大小和位置，在轻质合金板上切割得到增材区域，增材区域与电子元器件或集成电路的大小和位置匹配；
根据基底的类型选择高性能粉末，将高性能材料粉末填充增材区域，高性能材料粉末的性能包括低膨胀、高导热、高可靠封装；
通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与轻质合金板冶金结合，得到高性能材料镶嵌于轻质合金的电子封装结构，其中，高性能材料形成基底。
在本实施例中，先根据需求确定电子元器件或集成电路的类型、大小和位置关系；然后根据电子元器件或集成电路的总体规模大小确定尺寸合适的轻质合金板；在轻质合金板上切割得到与电子元器件或集成电路位置、尺寸匹配的增材区域；将高性能材料粉末填充入增材区域，压实；然后利用热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与轻质合金板实现冶金结合。轻质合金板使封装结构实现了轻质化，同时，由于电子元器件或集成电路并不是占据在轻质合金板的整个表面，因此，只需根据设计，在适合的位置切割出增材区域。具体地，根据各个电子元器件或集成电路的类型确定其需求，并根据需求确定与其最为匹配的高性能材料粉末，高性能材料粉末成型后能够为安装在其上的电子元器件或集成电路或电路板提供低膨胀、高导热、高可靠封装的优异性能。此外，轻量化的结构还能应用于大尺寸电子封装中。
在本实施例中，为了实现冶金结合，采取了热等静压工艺将轻质合金板与高性能材料粉末成型结合，结合后的界面结合强度高，热阻小，具有优异的热传导和散热性能。
在本实施例中，在增材区域中填充高性能材料粉末后，用手动压盘压实。
需要说明的是，增材区域可以是凹槽，也可以贯穿轻质合金板。
在本发明的一些实施例中，通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与轻质合金板冶金结合，包括：
将装盛高性能材料粉末的轻质合金板置于包套中；
在第一预设温度下对包套进行真空处理；
在第二预设温度、第一预设压力下对包套进行热等静压处理；
去除包套后进行热处理。
在本实施例中，将装盛高性能材料粉末的轻质合金板置于包套中，然后在第一预设温度下对包套进行真空处理，以便于将高性能材料粉末间隙中的空气去除，防止得到的封装结构内壁残留微小空腔。在第二预设温度、第一预设压力下对包套进行热等静压处理，使高性能材料粉末成型，并与轻质合金板结合，在高温高压状态下，高性能材料粉末成型，并与轻质合金板冶金结合。热等静压处理结束后，去除包套并进行热处理，热处理消除了高性能材料和轻质合金板之间的应力，增强了界面间的结合强度。
在本发明的一些实施例中，第一预设温度为350～450℃(例如，可以是350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃或450℃)。
在本实施例中，若第一预设温度低于350℃，则难以完全去除包套内的空气；若第一预设温度高于450℃，会浪费能源。
在本发明的一些实施例中，第二预设温度为300～600℃(例如，300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃)。
在本实施例中，第二预设温度的温度若低于300℃，则界面结合强度差；若第二预设温度高于600℃，则轻质合金板容易熔融变形。
在本发明的一些实施例中，第一预设压力为5～10MPa(例如，可以是5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa)。
在本实施例中，若第一预设压力小于5MPa，则成型的高性能材料致密度低，高性能材料和轻质合金板之间的界面结合强度差；若第一预设压力大于10MPa，则会导致材料变形，能源浪费。
在本发明的一些实施例中，热处理的温度为450～580℃(例如，可以是450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃或580℃)。
在本实施例中，若热处理的温度低于450℃，则难以消除界面间的应力，若热处理的温度高于580，则可能会导致材料变形。
在本发明的一些实施例中，真空处理后的真空度不大于2×10-4Pa。
在本实施例中，可以先在100℃下开始抽真空，当真空度达到1×10-3Pa时，继续升温至350～450℃，在该温度下继续抽真空，直至真空度不大于2×10-4Pa，即可认为包套内的空气排空。若真空度低于上述范围，则包套内会残留空气，将包套密封后进行热等静压处理。
在本发明的一些实施例中，轻质合金板的制备材料包括铝合金、钛合金和镁合金。
在本实施例中，轻质合金板的制备材料包括铝合金、钛合金和镁合金，优选铝合金，密度低，成本低。
在本发明的一些实施例中，高性能材料粉末的制备材料包括硅铝、碳化硅铝、钼铜、金刚石铝、可伐合金。
在本实施例中，硅铝合金复合材料：具有质量轻，热膨胀系数低，热传导性能良好，具有较易于精密机加工、无毒、成本低廉等优越性能；
钼铜复合材料：材料密度较大，具有一定的微波屏蔽功能，且强度高、稳定可靠；
碳化硅铝复合材料：具有较高的热导率、低热膨胀系数、高强度、良好的导电性；
金刚石铝复合材料：金刚石具有很高的热导率、弹性模量以及低的热膨胀系数，材料硬度较高，机加工性能更差，成型性能很差，金刚石/Al复合材料的成形技术可以满足金刚石性能的同时，同时还可以解决机械加工性差的问题；
钼铜复合材料、金刚石铝复合材料主要用以匹配功率芯片；硅铝或碳化硅铝，用以匹配LTCC
可伐合金：在-70～500℃温度范围内，具有比较恒定的较低或中等程度膨胀系数的合金，它与玻璃或陶瓷等被封接材料的膨胀系数相接近，从而达到匹配封接的效果。
本发明实施例还提供了一种电子封装结构，根据上述中任一所述的制备方法制备得到。
本发明实施例提供的电子封装结构与上述电子封装结构的制备方法基于同一发明构思，因此，能够取得同样的技术效果，其具体技术效果不在此部分赘述。
实施例1
根据使用需求确定承载电子元器件或集成电路的基底所用材料的类型、大小和位置关系；
根据基底的位置范围确定轻质合金板的尺寸；
根据基底的大小和位置，在轻质合金板上切割得到增材区域，增材区域与电子元器件或集成电路的大小和位置匹配；
根据基底的类型选择高性能粉末，将高性能材料粉末填充增材区域，高性能材料粉末的性能包括低膨胀、高导热、高可靠封装；
将装盛高性能材料粉末的轻质合金板置于包套中；
在第一预设温度下对包套进行真空处理；
在第二预设温度、第一预设压力下对包套进行热等静压处理；
去除包套后进行热处理，得到高性能材料镶嵌于轻质合金的电子封装结构，其中，高性能材料形成基底；其中，第一预设温度为350℃，第二预设温度为300℃，第一预设压力为5MPa，450℃，真空处理后的真空度为2×10-4Pa。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于，其中，第一预设温度为400℃，第二预设温度为450℃，第一预设压力为7.5MPa，515℃，真空处理后的真空度为2×10-5Pa。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于，其中，第一预设温度为450℃，第二预设温度为600℃，第一预设压力为10MPa，580℃，真空处理后的真空度为2×10-6Pa。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (6)

1.一种异种材质复合成型的电子封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
根据使用需求确定承载电子元器件或集成电路的基底所用材料的类型、大小和位置关系；
根据所述基底的位置范围确定轻质合金板的尺寸；
根据所述基底的大小和位置，在所述轻质合金板上切割得到增材区域，所述增材区域与所述电子元器件或集成电路的大小和位置匹配；
根据所述基底的类型选择高性能材料粉末，将所述高性能材料粉末填充所述增材区域，所述高性能材料粉末的性能包括低膨胀、高导热、高可靠封装；
通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与所述轻质合金板冶金结合，得到高性能材料镶嵌于轻质合金的电子封装结构，其中，所述高性能材料形成所述基底；
所述通过热等静压工艺使高性能材料粉末成型并与所述轻质合金板冶金结合，包括：
将装盛所述高性能材料粉末的所述轻质合金板置于包套中；
在第一预设温度下对所述包套进行真空处理；
在第二预设温度、第一预设压力下对所述包套进行热等静压处理；
去除包套后进行热处理；
所述第一预设温度为350~450℃；
所述第一预设压力为5~10MPa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二预设温度为300~600℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为450~580℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空处理后的真空度不大于2×10-4Pa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述轻质合金板的制备材料包括铝合金、钛合金和镁合金。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高性能材料粉末的制备材料包括硅铝、碳化硅铝、钼铜、金刚石铝、可伐合金。
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