CN1830602A - 一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法 - Google Patents

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尹法章
贾成厂
郭宏
徐骏
石力开
褚克
曲选辉
张习敏
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Abstract

本发明提供了一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法，属于电子封装材料制备技术领域。首先将SiC粉与Al粉或Al合金粉按体积比为：30～85∶70～15均匀混合，然后，将混合均匀的SiC/Al粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结。烧结工艺为：抽真空后，以20～200℃/min的升温速度加热到烧结温度500～800℃，并在升温过程中施加20～50MPa的压力，达到烧结温度后保温2～10分钟，脱出膜腔，制得了高强高导热性能的SiCp/Al电子封装材料。本发明的优点在于：提高电子封装材料的可设计性，导热性，实现了工艺简单、流程短、效率高、成本低。

Description

一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法
技术领域
本发明属于电子封装材料制备技术领域，特别是提供了一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法，采用放电等离子烧结(SPS)法制备高性能高碳化硅体积百分含量(30～85％)SiCp/Al电子封装材料。
背景技术
SiCp/Al复合材料的热膨胀系数具有可设计性(4～12×10-6/K)，可较好地与基板和芯片材料的热膨胀系数相匹配，其热导性高(120～220W/m·K)，为Kovar合金的10倍，也优于W-Cu合金，并具有高弹性模量以及低密度(分别约为Kovar合金和W-Cu合金的1/2和1/4)等优点。
碳化硅粉末价格低廉、来源广泛且具有优异的性能，是一种非常理想的增强物。铝是一种常见的、低廉的金属材料，熔点低(660℃)，密度较小(2.7g/cm3)，仅为钢铁的三分之一左右、在提高比强度、比模量上有很大潜力。SiCp/Al复合材料既保持了金属特有的良好延展性与导电、传热等特点，又具有陶瓷的耐高温性、耐腐蚀性，适应了轻质量、低成本、高强度、耐腐蚀、耐磨损的要求，可被应用于航天航空、汽车、内燃机、国防及体育、医疗、光学仪器、精密仪器及微波器件高性能、电力电子(或光电子)器件封装中，对降低成本、减轻重量会起到积极的作用。此类材料的需求颇为巨大，市场前景广阔。
目前生产SiCp/Al复合材料的方法主要有粉末压制/烧结法、搅拌铸造法和喷雾沉积法等，这些方法生产出的复合材料，生产周期长、制备过程复杂，容易引入各种缺陷，从而影响产品最终的热性能。
放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)是国际九十年代材料制备的新技术之一。它是利用脉冲大电流直接施加于模具和样品上，产生体加热(如图1所示)，使被烧结样品快速升温；同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应，净化颗粒表面，实现快速烧结，有效抑制晶粒长大。该制备方法具有明显的升温速度快、烧结体密实度高、工艺简单、控制精确等优点，从而广泛的应用于细晶粒材料及纳米材料、梯度材料的烧结，并在制备其他高性能功能材料方面也赢得了关注和重视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备高强高导热碳化硅(体积分数30～85％)增强铝基电子封装材料，解决了SiCp/Al电子封装材料制备中工艺复杂、制备周期长、性能低等问题。
本发明制备SiCp/Al电子封装材料的工艺是：SiC颗粒选用7～60μm，Al选用纯Al粉，或国家标准牌号的Al合金粉，粒度为1～40μm，将SiC颗粒与Al粉或Al合金粉末按体积比为：(30～85)∶(70～15)均匀混合。
将上述混合均匀的SiC/Al粉末放入石墨模具中，采用放电等离子烧结(SPS)技术进行烧结，烧结工艺为：抽真空后，以20～200℃/min的升温速度加热到500～800℃，并在升温过程中施加20～50MPa的压力，至烧结温度后保温2～10分钟，脱出膜腔，即制得了高强高导热性能的SiCp(30～85％)/Al电子封装材料。
本发明的优点在于：
1、能够制备SiC含量30～85％的SiCp/Al电子封装材料，其导热率为150～200W/m-K、密度为2.80～3.10g/cm3、热膨胀系数为(10.5～6.6)×106/K，提高了电子封装材料的可设计性，导热性；为高性能SiCp/Al材料在电子封装器件方面的推广应用奠定了基础。
2、本发明工艺简单、烧结时间短、效率高、成本低。
附图
图1为SPS-1050设备简图，其中，石墨模具1、石墨盘2、电极3、冲头4、粉末样5、真空室6、红外测温仪7。
具体实施方式
实施例1：
原料：粒径为7μm的SiC颗粒与纯Al粉体积比为60∶40。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨机湿混均匀，在真空干燥箱烘干后装入石墨模具中，进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：以20℃/min的升温速率升温，当温度升高到400℃时施加30MPa的压力，加热到600℃时保温5分钟，烧结完毕。待冷却至100℃以下时，取出，脱模。即制得了SiCp(60％)/Al电子封装材料。所得材料其导热率为180W/m-K、密度为2.98g/cm3、热膨胀系数为8.0×106/K。
实施例2：
原料：粒径为28μm的SiC颗粒与纯Al粉体积比为85∶15。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨机湿混均匀，在真空干燥箱烘干后装入石墨模具中，进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：以50℃/min的升温速率升温，当温度升高到400℃时施加40MPa的压力，加热到650℃时保温5分钟，烧结完毕。待冷却至100℃以下时，取出，脱模。即制得了SiCp(85％)/Al电子封装材料。所得材料其导热率为191W/m-K、密度为3.10g/cm3、热膨胀系数为6.6×106/K。
实施例3：
原料：粒径为40μm的SiC颗粒与6061Al粉体积比为70∶30。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨机湿混均匀，在真空干燥箱烘干后装入石墨模具中，进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：以80℃/min的升温速率升温，当温度升高到400℃时施加35MPa的压力，加热到650℃时保温10分钟，烧结完毕。待冷却至100℃以下时，取出，脱模。即制得了SiCp(70％)/Al电子封装材料。所得材料其导热率为200W/m-K、密度为3.00g/cm3、热膨胀系数为7.6×106/K。
实施例4：
原料：粒径为40μm的SiC颗粒与2024Al粉体积比为55∶45。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨机湿混均匀，在真空干燥箱烘干后装入石墨模具中，进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：以150℃/min的升温速率升温，当温度升高到400℃时施加45MPa的压力，加热到650℃时保温10分钟，烧结完毕。待冷却至100℃以下时，取出，脱模。即制得了SiCp(60％)/Al电子封装材料。所得材料其导热率为178W/m-K、密度为2.90g/cm3、热膨胀系数为7.9×106/K。
实施例5：
原料：粒径为40μm的SiC颗粒与纯Al粉体积比为30∶70。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨机湿混均匀，在真空干燥箱烘干后装入石墨模具中，进行放电等离子烧结(SPS)，烧结工艺为：以200℃/min的升温速率升温，当温度升高到400℃时施加30MPa的压力，加热到600℃时保温5分钟，烧结完毕。待冷却至100℃以下时，取出，脱模。即制得了SiCp(30％)/Al电子封装材料。所得材料其导热率为200W/m-K、密度为2.80g/cm3、热膨胀系数为10.5×106/K。

Claims (2)

1、一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法，其特征在于：首先将SiC粉与Al粉或Al合金粉按体积比为：30～85∶70～15均匀混合，然后，将混合均匀的SiC/Al粉末装入石墨模具中，采用放电等离子烧结；烧结工艺为：抽真空后，以20～200℃/min的升温速度加热到烧结温度500～800℃，并在升温过程中施加20～50MPa的压力，达到烧结温度后保温2～10分钟，脱出膜腔，制得了高强高导热性能的SiCp/Al电子封装材料。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：SiC颗粒粒径为7～60μm，纯Al粉或Al合金粉末粒度为1～40μm。
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