專利名稱：用粉末注射成形/壓力熔浸法制備電子封裝材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子封裝材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用粉末注射成形/壓力熔浸法制備電子封裝材料的方法。制備的電子封裝材料具有高性能高碳化硅(55～75％)體積百分含量SiCp/Al。
背景技術(shù)：
Al/SiCp復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)具有可設(shè)計(jì)性(4～12×10-6/K)，可較好地與基板和芯片材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，其熱導(dǎo)性高(120～220W/m·K)，為Kovar合金的10倍，也優(yōu)于W-Cu合金，并具有高彈性模量以及低密度(分別約為Kovar合金和W-Cu合金的1/2和1/4)等優(yōu)點(diǎn)。
碳化硅粉末價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛且具有優(yōu)異的性能，是一種非常理想的增強(qiáng)物。鋁是一種常見(jiàn)的、低廉的金屬材料，熔點(diǎn)低(660℃)，密度較小(2.7g/cm3)，僅為鋼鐵的三分之一左右、在提高比強(qiáng)度、比模量上有很大潛力。SiCp/Al復(fù)合材料既保持了金屬特有的良好延展性與導(dǎo)電、傳熱等特點(diǎn)，又具有陶瓷的耐高溫性、耐腐蝕性，適應(yīng)了輕質(zhì)量、低成本、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損的要求，可被應(yīng)用于航天航空、汽車、內(nèi)燃機(jī)、國(guó)防及體育、醫(yī)療、光學(xué)儀器、精密儀器及電子器件等方面。
目前生產(chǎn)SiCp/Al復(fù)合材料的方法主要有粉末壓制/燒結(jié)法、攪拌鑄造法和噴霧沉積法等，這些方法只能生產(chǎn)出復(fù)合材料，還需要機(jī)加工成所需的形狀。由于SiCp/Al復(fù)合材料(特別是高SiCp含量)的機(jī)加工性很差。因此，目前采用的沖壓和機(jī)加工工藝生產(chǎn)盒體的周期長(zhǎng)、費(fèi)料多、生產(chǎn)成本高。采用先進(jìn)的近終成形技術(shù)直接制備具有最終形狀和尺寸的電子封裝盒體已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
粉末注射成形(Powder Injection Molding，簡(jiǎn)稱PIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門(mén)近終成形技術(shù)。注射成形可以直接制造出具有最終形狀的零部件，且產(chǎn)品精度高、組織均勻、性能優(yōu)異、生產(chǎn)成本低，因此贏得了關(guān)注和重視。該技術(shù)被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門(mén)的零部件成形技術(shù)”。注射成形工藝流程見(jiàn)圖1。
壓力熔浸法是制取連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要復(fù)合工藝，今年來(lái)得到了很快的發(fā)展，而在顆粒、晶須或短纖維增強(qiáng)的實(shí)用鋁基復(fù)合材料的制造中應(yīng)用最多，且最為成功。因此，被認(rèn)為是適合大規(guī)模生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料主要的工藝之一，圖2為壓力熔浸法示意圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用粉末注射成形/壓力熔浸法制備電子封裝材料的方法。用粉末注射成形/壓力熔滲法制備高性能高體積分?jǐn)?shù)碳化硅(55～75％)增強(qiáng)鋁基電子封裝材料的凈終成形技術(shù)，解決了SiCp(55～75％)/Al電子封裝材料制備中工藝復(fù)雜、機(jī)加工困難、不能凈終成形和成本高等問(wèn)題。
本發(fā)明制備SiCp(55～75％)/Al電子封裝材料的工藝是首先配料、混合，將SiC顆粒與粘結(jié)劑以體積比為(55～75)∶(45～25)混合，然后采用擠壓連續(xù)式混煉法混料，混料冷卻后用球磨機(jī)研磨，再進(jìn)行注射成形。
本發(fā)明所述的SiC顆粒選用7～28μm，粘結(jié)劑成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝(5～7)∶(5～3)∶(1～2)?；炝喜捎脭D壓連續(xù)式混煉法，如圖3所示。具體步驟為(1)先用攪拌機(jī)將SiC0顆粒和粘結(jié)劑攪拌混合；(2)將雙輥筒煉塑機(jī)轉(zhuǎn)輥加熱到一定的溫度(150～170℃)；(3)調(diào)節(jié)兩輥間距離至1～2mm，將SiC和粘結(jié)劑的混合粉末沿輥間中線撒入兩輥之間，讓雙輥筒煉塑機(jī)轉(zhuǎn)輥擠壓混煉；(4)調(diào)節(jié)兩輥間的距離至2～3mm，將混合物混合15～30分鐘，鏟下混合物；(5)調(diào)節(jié)兩輥間的距離至3～4mm，將混合物混合15～30分鐘，鏟下混合物，混料完畢。
為了使粘結(jié)劑與碳化硅粉末能混合均勻，必須重復(fù)混合2～5次。
混料冷卻后用球磨機(jī)研磨成合適的顆粒以便進(jìn)行注射成形工藝。注射成形工藝是注射壓力155～190PMa，注射溫度155～185℃、注射速度50～60％。
對(duì)注射成形后得到的坯件進(jìn)行脫脂處理，脫脂工藝是首先在有機(jī)溶劑中浸泡10～20小時(shí)，其主要為首先脫除粘結(jié)劑中的石蠟部分。然后將試樣放入惰性氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中熱脫脂，熱脫脂過(guò)程中，以2～4℃/分鐘的升溫速率加熱到250～350℃時(shí)保溫20～30分鐘，以4～6℃/分鐘的升溫速率升溫到400～500℃時(shí)保溫20～30分鐘，最后以6～8℃/分鐘的速率升溫到預(yù)定燒結(jié)溫度1000～1200℃時(shí)保溫20～30分鐘；這樣就制得了具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫抖鹊腟iC骨架。
將上述制備的SiC骨架放入特制的模具中，純鋁置于SiC骨架上方，加熱到700～900℃時(shí)，對(duì)鋁熔體施加10～20MPa的壓力，保壓10～30秒后，脫出膜腔，即制得了近終成形的SiCp(55～75％)/Al電子封裝材料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、能夠制備SiC含量55～75％的SiCp/Al電子封裝材料，其導(dǎo)熱率為160~185W/m-K、密度為2.9~3.1g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.2~9.0×106/K，為高性能SiCp/Al材料在電子封裝器件方面的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
2、本發(fā)明一次近終成形、尺寸精度高、成本低。


圖1為注射成形工藝流程圖。
圖2為壓力熔浸法示意圖。其中，電阻爐1、2熱電偶2、壓模模具3、.金屬熔體4、增強(qiáng)顆粒。
圖3為本發(fā)明擠壓連續(xù)式混煉示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1原料粘結(jié)劑各成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝7∶3∶1，粒徑為14μm的SiC顆粒與上述粘結(jié)劑的體積比為60∶40。
取上述配比的原料粉4Kg，用雙輥筒煉塑機(jī)擠壓混煉，混煉溫度150℃，混煉時(shí)間30min，混煉均勻后用球磨機(jī)研磨成細(xì)小顆粒粉末，再將混合粉末用注塑機(jī)注射成形為所要求的零件形狀，注射壓力為155PMa，注射溫度160℃、注射速度為50％。所得坯件先在有機(jī)溶劑中脫脂15小時(shí)，然后進(jìn)行熱脫脂，熱脫脂工藝為以一定升溫速率加熱到250℃時(shí)保溫20分鐘，以一定升溫速率升溫到400℃時(shí)保溫20分鐘，最后以一定速率升溫到預(yù)定燒結(jié)溫度1000℃時(shí)保溫20min；這樣就制得了具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫抖鹊腟iC骨架。將上述制備的SiC骨架放入特制的模具中，純鋁置于SiC骨架上方，加熱到700℃時(shí)，對(duì)鋁熔體施加10MPa的壓力，保壓20s后，脫出膜腔，即制得了近終成形的SiCp(60％)/Al電子封裝零件。所得零件導(dǎo)熱率為180W/m-K、密度為2.9g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.9×106/K。
實(shí)施例2原料粘結(jié)劑各成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝6∶3∶2，粒徑為28μm的SiC顆粒與上述粘結(jié)劑的體積比為65∶35。
取上述配比的原料粉4Kg，用雙輥筒煉塑機(jī)擠壓混煉，混煉溫度150℃，混煉時(shí)間30min，混煉均勻后用球磨機(jī)研磨成細(xì)小顆粒粉末，再將混合粉末用注塑機(jī)注射成形為所要求的零件形狀，注射壓力為155PMa，注射溫度160℃、注射速度為50％。所得坯件先在有機(jī)溶劑中脫脂15小時(shí)，然后進(jìn)行熱脫脂，熱脫脂工藝為以一定升溫速率加熱到250℃時(shí)保溫20分鐘，以一定升溫速率升溫到400℃時(shí)保溫20分鐘，最后以一定速率升溫到預(yù)定燒結(jié)溫度1000℃時(shí)保溫20min；這樣就制得了具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫抖鹊腟iC骨架。將上述制備的SiC骨架放入特制的模具中，純鋁置于SiC骨架上方，加熱到700℃時(shí)，對(duì)鋁熔體施加10MPa的壓力，保壓10～30s后，脫出膜腔，即制得了近終成形的SiCp(65％)/Al電子封裝零件。所得零件導(dǎo)熱率為175W/m-K、密度為3.0g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.6×106/K。
實(shí)施例3原料粘結(jié)劑各成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝7∶3∶1，粒徑為20μm的SiC顆粒與上述粘結(jié)劑的體積比為70∶30。
取上述配比的原料粉4Kg，用雙輥筒煉塑機(jī)擠壓混煉，混煉溫度160℃，混煉時(shí)間45min，混煉均勻后用球磨機(jī)研磨成細(xì)小顆粒粉末，再將混合粉末用注塑機(jī)注射成形為所要求的零件形狀，注射壓力為175PMa，注射溫度180℃、注射速度為55％。所得坯件先在有機(jī)溶劑中脫脂20小時(shí)，然后進(jìn)行熱脫脂，熱脫脂工藝為以一定升溫速率加熱到300℃時(shí)保溫30分鐘，以一定升溫速率升溫到400℃時(shí)保30分鐘，最后以一定速率升溫到預(yù)定燒結(jié)溫度1100℃時(shí)保溫45min；這樣就制得了具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫抖鹊腟iC骨架。將上述制備的SiC骨架放入特制的模具中，純鋁置于SiC骨架上方，加熱到800℃時(shí)，對(duì)鋁熔體施加15MPa的壓力，保壓10～30s后，脫出膜腔，即制得了近終成形的SiCp(70％)/Al電子封裝零件。所得零件導(dǎo)熱率為160W/m-K、密度為3.0g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.2×106/K。
權(quán)利要求
1.一種用粉末注射成形/壓力熔浸法制備電子封裝材料的方法，其特征在于制備工藝為首先配料、混合，將SiC顆粒與粘結(jié)劑的體積比為55～75∶45～25混合，然后采用擠壓連續(xù)式混煉法混料，混料冷卻后用球磨機(jī)研磨，再進(jìn)行注射成形，對(duì)注射成形后得到的坯件進(jìn)行脫脂處理；所述的SiC顆粒選用7～28μm，粘結(jié)劑成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝5～7∶5～3∶1～2。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于擠壓連續(xù)式混煉法混料的具體步驟為a、先用攪拌機(jī)將SiC顆粒和粘結(jié)劑攪拌混合；b、將雙輥筒煉塑機(jī)轉(zhuǎn)輥加熱到150～170℃；c、調(diào)節(jié)兩輥間距離至1～2mm，將SiC和粘結(jié)劑的混合粉末沿輥間中線撒入兩輥之間，讓雙輥筒煉塑機(jī)轉(zhuǎn)輥擠壓混煉；d、調(diào)節(jié)兩輥間的距離至2～3mm，將混合物混合15～30分鐘，鏟下混合物；e、調(diào)節(jié)兩輥間的距離至3～4mm，將混合物混合15～30分鐘，鏟下混合物，混料完畢；f、為了使粘結(jié)劑與碳化硅粉末能混合均勻，必須重復(fù)混合2～5次。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于注射成形的具體工藝參數(shù)為注射壓力155～190PMa，注射溫度155～185℃、注射速度50～60％。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于脫脂的具體工藝為首先在有機(jī)溶劑中浸泡10～20小時(shí)，然后將試樣放入惰性氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中熱脫脂，熱脫脂過(guò)程中，以2～4℃/分鐘的升溫速率加熱到250～350℃時(shí)保溫20～30分鐘，以4～6℃/分鐘的升溫速率升溫到400～500℃時(shí)保溫20～30分鐘，最后以6～8℃/分鐘的速率升溫到預(yù)定燒結(jié)溫度1000～1200℃時(shí)保溫20～30分鐘；制得具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫抖鹊腟iC骨架；制備的SiC骨架放入模具中，純鋁置于SiC骨架上方，加熱到700～900℃時(shí)，對(duì)鋁熔體施加10～20MPa的壓力，保壓10～30秒后，脫出膜腔，制得近終成形的SiCp55～75％/Al電子封裝材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用粉末注射成形/壓力熔浸法制備電子封裝材料的方法，屬于電子封裝材料制備技術(shù)領(lǐng)域。首先配料、混合，將SiC顆粒與粘結(jié)劑以體積比為(55～75)∶(45～25)混合，然后采用擠壓連續(xù)式混煉法混料，混料冷卻后用球磨機(jī)研磨，再進(jìn)行注射成形，對(duì)注射成形后得到的坯件進(jìn)行脫脂處理。本發(fā)明所述的SiC顆粒選用7～28μm，粘結(jié)劑成分質(zhì)量比為石蠟∶聚乙烯∶硬脂酸＝(5～7)∶(5～3)∶(1～2)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠制備SiC含量55～75％的SiCp/Al電子封裝材料，導(dǎo)熱率為160～185W/m－K、密度為2.9～3.1g/cm
文檔編號(hào)B22F3/20GK1794435SQ200510086820
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者賈成廠, 尹法章, 褚克, 平延磊, 曲選輝 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)