CN1287449C

CN1287449C - 一种硅铝合金封装材料及制备方法

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Publication number: CN1287449C
Application number: CN 03119606
Authority: CN
Inventors: 张永安; 熊柏青; 张济山; 石力开; 刘红伟; 朱宝宏
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: CN1531072A

Abstract

一种硅铝合金封装材料及其制备方法，合金配方成分范围：Si为50～70wt%，Al为余量；Si以第二相颗粒形态存在，Si颗粒尺寸为3～8μm，第二相Si颗粒均匀地分布于铝合金基体中；第二相颗粒与铝合金基体一次形成。按合金成分配料，将原料熔化，浇铸成合金预制锭。在1600～1700℃将合金预制锭熔化，以惰性气体为雾化气体，进行快速凝固喷射成形制备，雾化压力为0.5～1.0MPa。该硅铝合金材料的合金成分均匀、显微组织均匀、组织细小。该材料经热等静压或热压致密化处理可实现完全致密化，这种材料可用普通刀具进行机加工切削成型，可进行表面涂装、钎焊。该材料可应用于航空航天、电子、计算机、通信等领域的微电子线路和微波线路的封装材料。

Description

一种硅铝合金封装材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种封装材料，特别是高集成度微波线路和微电子线路用低密度低热膨胀系数高热导率硅铝合金封装材料及其制备方法。

背景技术

目前，微电子集成线路己发展到超大规模阶段，要求电子封装的管脚越来越多，管脚节距越来越小，电子封装己从最初的四边引线型(如QFP等)、平面阵列型(PGA)、球栅阵列封装(BGA)发展为多芯片组件(MCM)封装。电子封装主要有四个功能，即：为微电子器件提供机械支撑和环境保护，抵御有害环境对电子器件的影响，防止局部高电压、射频信号和因发热而影响周围的电子器件；为内外器件提供信号输入输出通路；为封装器件提供电流通路；提供散热通路。

电子封装直接影响集成线路和器件的电、热、光和机械性能，同时对系统的小型化起着关键的作用。因此要求电子封装材料具有低热膨胀系数、低密度、高热导率和机械性能，同时必须具有良好的封装工艺性能，以及高可靠性和低成本。下面将简要分析一下各个因素的作用：

①热膨胀性能：半导体器件在工作过程中不可避免的涉及到温度的变化。在此过程中，芯片与芯片基座表面、连线以及焊点之间形成的热应力将对电子封装结构产生不利的影响，有可能导致电子线路的损坏或造成封装结构的变形等不良后果。因此，电子封装材料的热膨胀系数(Coefficient of ThermalExpansion，CTE)就成为特别重要的一个材料参数。半导体材料一般具有较低的CTE，例如，Si的CTE为2.3～4.3×10^-6/℃，砷化镓的CTE接近6×10^-6/℃。因此要求封装材料具有较低的热膨胀系数(与典型半导体材料相同或稍高一些)。

②导热性能：“集成度”的概念是指一只芯片中放置的微电路元件数，表征微电路的复杂性和完善度。电子工业的发展趋势是增加集成度，同时减小芯片的物理尺寸。这样就会造成经芯片表面散发热量的增加。因此，需要采用具有良好导热能力的材料以满足提高集成度带来的散热要求。

③密度：先进电子技术的应用，尤其是在航空航天系统中，对轻量化提出了新的要求，重量的增加会造成极大的额外成本增加。每公斤有效载荷在飞机服役期内的空运成本为50000英镑，而对战术和战略导弹而言减重将会大幅度的提高有效射程。据有关资料介绍，如果用密度低于3g/cm³的材料代替密度超过8g/cm³的Kovar合金，一架先进战斗机的相位阵列雷达系统的减重将达到数公斤之多。所以，材料轻量化所产生的经济效益是显而易见的。

④封装工艺性能：作为封装材料还应具有合理的封装工艺性能，包括易于进行各种精密加工、易于进行电镀涂装、以及易于焊接等。

传统的电子封装材料己不适应现代先进的微波和混合电路技术的封装要求，尽管可伐合金(Kovar合金，一种Fe-Co-Ni合金)具有较低的，与半导体硅和砷化镓相近热膨胀系数(CTE)，但该材料热导率低、刚度低，而且密度偏高，这一点对航空航天等对装备减重要求严格的应用更为不利。Cu-85wt％W合金在热传导性方面优于可伐合金，但是其比重是可伐合金的2倍，这严重地制约了其在电子封装中的应用。氮化铝的热膨胀系数(CTE)与半导体硅十分相近，且具有比重低、刚度高的优点，但电镀和精密机加工等封装工艺性能较差。近年来，压力铸造和无压过滤技术被应用于开发含70wt％SiC的铝基复合材料，该材料热膨胀系数(CTE)是7ppm/K，密度是3×10³kg/m³，但这种材料机加工性能和焊接性能差，严重制约了其广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低密度低热膨胀系数高热导率硅铝合金封装材料，用于取代传统的可伐合金封装材料。

本发明的另一目的是提供一种适用于制备新型低密度低热膨胀系数高热导率硅铝合金封装材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的硅铝合金封装材料，合金配方成分范围如下，重量百分比：Si为50～70wt％，Al为余量；所述的合金热膨胀系数小于9×10^-6/K、热传导率大于100W/m·K、密度小于2.6g/cm³；所述的合金中，Si以第二相颗粒形态存在，Si颗粒尺寸为3～8μm，第二相Si颗粒均匀地分布于铝合金基体中；第二相颗粒与铝合金基体一次形成。无界面污染，形成良好的界面结合。该材料可用普通刀具进行机加工切削成型，可进行表面涂装和钎焊，实现封装。

本发明的制备硅铝合金封装材料的方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据合金成分按重量百分比进行配料，配制预制合金锭，该合金配方成分范围如下，重量百分比：Si为50～70wt％，Al为余量；

(2)惰性气体保护下，升温至1600～1700℃经合金预制锭熔化过程，之后，通过雾化喷嘴进行雾化，雾化气体为惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；

(3)通过控制雾化喷嘴的扫描、采用具有板状或盘状接收部的接收装置，和其往复移动或旋转的运动方式，制备出板坯或圆锭；

(4)将板坯或圆锭剥离其表皮，经热等静压或热压处理，达到致密化，即制成硅铝合金封装材料。

将上述SiAl合金封装材料再通过普通刀具机加工切削成一定尺寸形状的样件供电子封装用。

在本发明的制备方法的步骤(1)中，所述的Si和Al分别选取工业纯Si和工业纯铝。

在本发明的制备方法的步骤(1)中，所述的配制预制合金锭的过程是在惰性气体保护下升温至1500～1700℃将原料熔化，待混合均匀后浇铸成预制合金锭。

在本发明的制备方法的步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化、进行雾化的过程是在高温喷射成形设备中进行的。

在本发明的制备方法的步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化、进行雾化的过程中，在合金预制锭熔化后要保温10～20min使合金熔体均匀化。

在本发明的制备方法的步骤(3)中，采用不同的接收装置可以制备出具有典型快速凝固组织的块体(平板或圆锭)封装材料。

在所述的步骤(3)中，所述的雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收装置的接收部为板状，并在气雾化的同时，接收部在变频电机的牵引下高速往复移动，制备板坯。

在所述的步骤(3)中，所述的雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收装置的接收部为盘状，并在气雾化的同时，接收部以60～120rpm的速度旋转，同时在变频电机的牵引下以10～30mm/min的速度下降，制备圆锭。

在本发明的制备方法中，所述的雾化气体为氩气或氮气。

在上述步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化，感应加热熔炼炉的温度控制为1750～1850℃，再经感应加热中间包加热，感应加热中间包的温度控制为1650～1750℃；所述雾化的过程是将熔化后的熔体通过与非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管，导流管为感应加热，导流管的温度控制为1650～1750℃。

该发明的技术关键在于SiAl合金喷射成形制备工艺，由于SiAl合金熔点高达1400℃以上。而合金熔体雾化时的实际温度更高达1700℃以上，就给这种合金的快速凝固喷射成形制备过程带来了很大的困难。为解决这一问题本专利设计了双感应加热系统——熔炼炉感应加热(1800℃)、中间包感应加热(1700℃)。为保证熔体的成分和温度均匀，实现快速升温熔化，熔料炉和中间包坩埚均采用石墨粘土坩埚。

由于合金雾化温度很高，因此在气雾化过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导液管与喷嘴之间采用的是分离配合方式。采用这种喷嘴进行气雾化的制备，避免了高熔点合金雾化给限制式喷嘴使用时所带来的种种问题。在喷射成形过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导液管与喷嘴之间采用的是分离配合方式，以便实现喷嘴高频扫描。为保证较高的冷却速度，雾化压力选用0.5～1.0MPa。雾化压力小，冷却速度低，材料显微组织粗大，晶界析出物多，雾化压力大，冷却速度高，材料显微组织细小，晶界析出物少，但是材料致密度低，而且实收率低，因此在具体实施过程中选用适中的雾化压力。在已公开的专利号98201214.4名为“双层非限制式气流雾化喷嘴”专利文献中，记载了有关非限制式气流雾化喷嘴的技术内容，非限制式雾化喷嘴中的导流管和气流雾化喷嘴是采取分离配合方式。非限制式雾化喷嘴在应用时与喷射摆动机构安装在一起。喷射摆动机构是由喷嘴摆动凸轮、喷嘴摆动顶杆、转动轴构成，工作时，驱动机构带动喷嘴摆动凸轮，喷嘴摆动凸轮与喷嘴摆动顶杆配合通过转动轴带动非限制式雾化喷嘴中的气流雾化喷嘴按预先设定的摆动角度及摆动频率进行扫描摆动，形成雾化锥，使金属沉积成型。该非限制式气流雾化喷嘴是一种公知设备。该专利在上述非限制式气流雾化喷嘴的基础上又增加了辅助气流喷嘴形成双层非限制式气流雾化喷嘴。该双层非限制式气流雾化喷嘴的主要优点是：消除了金属沉积成型过程中的反溅现象，延长气流雾化喷的使用寿命。在喷射成形过程中选用的非限制式气雾化喷嘴，可以是上述公知的非限制式气流雾化喷嘴，也可以是上述的双层非限制式气流雾化喷嘴。

为了保证制备过程的连续进行，本发明研究了一种高纯度的ZrO陶瓷导流材料，该材料可耐1700℃以上的高温，并具有良好的抗冲刷能力和抗热振性能。

根据最终产品形状要求，接收系统分为两种：(1)板坯，接收基板采用不锈钢平板(500×400×20mm)，通过变频防爆电机牵引可实现高速往复运动；(2)圆锭，接收基板采用不锈钢圆盘(φ250×20mm)，通过两组变频电机牵引可实现高速旋转同时下降运动。接收系统采用全密封集成外加水冷，按一定角度安装在设备的侧壁上。

利用本发明技术和设备可以制备出500×400×20～30mm和φ250×200mm的SiAl合金平板和圆锭，机加工扒皮，在500～600℃下热等静压或热压实现完全致密化。

根据具体封装件要求，用普通刀具切削加工成具有一定尺寸形状的封装件。

本发明的SiAl合金封装材料优点在于：

(1)低热膨胀系数(＜9×10^-6/K)、高热传导率(＞100W/m·K)和低密度(＜2.6g/cm³)；

(2)第二相Si颗粒尺寸为3～8μm，第二相Si颗粒弥散均匀地分布于铝

(3)可用普通刀具进行切削机加工成型；

(4)可表面涂装、可钎焊。

该材料可应用于航空航天、电子、计算机、通信等领域的微电子线路和微波线路的封装材料。

附图说明

图1为本发明的高温喷射成形设备示意图

其中，(a)为制备板坯的高温喷射成形设备示意图

(b)为制备圆锭的高温喷射成形设备示意图

图2为本发明的制备圆锭的接收装置

图3为本发明的合金块体材料的微观组织照片

其中，(a)为50wt％Si-Al合金块体材料的微观组织照片

(b)为70wt％Si-Al合金块体材料的微观组织照片

图4为本发明的合金块体材料的封装样品

具体实施方式

本发明可以采取下述的高温喷射成形设备配合本发明的方法进行制备合金粉末。如图1所示，该高温喷射成形设备是采用上、下两个罐体，上罐体为熔炼罐体1、下罐体为接收罐体2，熔炼罐体1内从上到下依次设有感应加热熔炉3、感应加热中间包4。感应加热中间包4的进口上对感应加热熔炼炉3的出口，而感应加热中间包4的出口接导流管5，导流管5的出口通入接收罐体2内。在导流管5管壁的四周设有感应加热系统6，并在导流管5的出口处设有非限制式气流雾化喷嘴7，导流管5的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，且导流管5与非限制式气流雾化喷嘴7之间采用的是分离配合方式。由于合金雾化温度很高，因此在气雾化过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导液管与喷嘴之间采用的是分离配合方式。采用这种喷嘴进行气雾化合金粉末的制备，避免了高熔点合金雾化给限制式喷嘴使用时所带来的种种问题。由于在雾化时，雾化气体要从雾化喷嘴不断地流入(流量由喷嘴参数和雾化压力所决定)，因此在接收罐体2的底部设有排风系统的接口，使雾化气体排出接收罐体2，并且要求排风系统气流量大于雾化气体流量。其中，图1(a)和图1(b)所示的结构不同的是，图1(a)中的接收部为板状接收板8；图1(b)的接收部为盘状接收盘9。图1(b)的接收盘9装在制备圆锭的接收装置中，制备圆锭的接收装置如图2所示。

制备板坯的接收装置是采用曲柄滑块机构，曲柄滑块机构是由曲柄(主动件)、连杆、滑块(从动件)组成，滑块与板状接收板连接。通过驱动机构带动曲柄旋转，曲柄通过连杆带动滑块作往复直线运动，以实现接收板的往复直线运动，接收板的往复移动的平均速度为0.8～1.2m/min。曲柄滑块机构为常规机构，故不作赘述。

在接收罐体2中安装制备圆锭的接收装置，该接收装置为公知设备。如图2所示，接收装置包括两部分，即旋转部21和升降部22，旋转部21是在接收座23上设有旋转牵引电机24、该旋转牵引电机24通过传动机构与支撑轴26动力连接，该支撑轴26上设有接收盘27；升降部22是在机座上设有升降牵引电机28，该升降电机通过传动机构29与丝杠30动力连接，并在机座上设有与丝杠30平行的光杠31，丝杠30和光杠31与水平面的垂线成30～35°角度，接收座23固接行程件32，行程件32上设有螺母和套管头，螺母与丝杠30螺接，套管头与光杠31套接，在制备过程中，启动旋转牵引电机24，高速旋转接收盘23，并启动升降牵引电机28，使丝杠30转动，螺母也随之移动，并以光杠31为轨道在光杠31上滑动，以一定的角度和速度下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，得到一定直径的圆锭。

上述制备装置是为了配合本发明的工艺方法，但完成本发明的方法并不局限于该制备装置，也可以采用其它方式的制备装置进行本发明的工艺方法。

实施例1：

先配制70wt％Si-Al合金预制锭，在惰性气体保护下，将上述原料升温至1700℃将原料熔化，浇铸成预制锭；配制合金预制锭以后，如图1(b)所示，在熔炼罐体1内先抽真空，真空度为10^-3pa，后充入高纯氩气至常压，在惰性气体保护下，将合金预制锭在感应加热熔炼炉4中，升温至1700℃，保温10min；再经感应加热中间包6加热，感应加热中间包6的温度控制为1700℃，熔化后的熔体通过导流管5，导流管5的温度控制为1700℃。采用高纯氩气进行气雾化，雾化压力1.0Mpa。如图2所示，开启旋转电机24、升降电机28，以转速为60～120rpm，高速旋转接收盘，接收盘下拉的角度是与水平面的垂线成35角度，下拉的速度为20～30mm/min，下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，一次性连续雾化30公斤Si合金高温熔体时，制备出重20Kg的Si合金圆锭，将该沉积坯件热压致密化以后即可使用。该合金块体材料的微观组织照片见图3(b)，该合金块体材料的封装样品见图4。

配制50wt％Si-Al合金预制锭以后，采用实施例1的方法制成合金块体材料，该合金块体材料的微观组织照片见图3(a)。

实施例2：

配制70wt％Si-Al合金预制锭以后，如图1(a)所示，装入感应加热熔炼炉4中，升温至1700℃，保温10min，采用氩气进行气雾化，雾化压力1.0MPa，其雾化过程与实施例1相同。一次性连续雾化20公斤Si合金高温熔体时，采用制备板坯的接收装置制备出重12Kg的Si合金板坯，将该沉积坯件热压致密化以后即可使用。

Claims

1、一种硅铝合金封装材料，其特征在于合金配方成分范围如下，重量百分比：Si为50～70wt％，Al为余量；所述的合金热膨胀系数小于9×10^-6/K、热传导率大于100W/m·K、密度小于2.6g/cm³；所述的合金中，Si以第二相颗粒形态存在，Si颗粒尺寸为3～8μm，第二相Si颗粒均匀地分布于铝合金基体中；第二相颗粒与铝合金基体一次形成。

2、一种制备硅铝合金封装材料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

3、根据权利要求2所述的制备硅铝合金封装材料的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，所述的雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收装置的接收部为板状，并在气雾化的同时，接收部在变频电机的牵引下高速往复移动，制备板坯。

4、根据权利要求2所述的制备硅铝合金封装材料的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，所述的雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收装置的接收部为盘状，并在气雾化的同时，接收部以60～120rpm的速度旋转，同时在变频电机的牵引下以10～30mm/min的速度下降，制备圆锭。

5、根据权利要求3或4所述的制备硅铝合金封装材料的方法，其特征在于：所述的雾化气体为氩气或氮气。

6、根据权利要求5所述的制备硅铝合金封装材料的方法，其特征在于：在上述步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化，感应加热熔炼炉的温度控制为1750～1850℃，再经感应加热中间包加热，感应加热中间包的温度控制为1650～1750℃；所述雾化的过程是将熔化后的熔体通过与非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管，导流管为感应加热，导流管的温度控制为1650～1750℃。