專利名稱：一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子封裝材料的制備方法，特別涉及一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子器件向高性能、輕量化和小型化方向發(fā)展，微電子對封裝材料提出越來越苛刻的要求。傳統(tǒng)的封裝材料包括硅基板，金屬基板和陶瓷基板等。硅和陶瓷基板加工困難，成本高，熱導(dǎo)率低；金屬材料的熱膨脹系數(shù)與微電子芯片不匹配，在使用過程中將產(chǎn)生熱應(yīng)力而翹曲。因此這些傳統(tǒng)的封裝材料很難滿足封裝基板的苛刻需求。國內(nèi)外新研發(fā)的新型散熱基板有金屬芯印刷電路板(MCPCB)、覆銅陶瓷板(DBC)和金屬基低溫?zé)Y(jié)陶瓷基板(LTCC-M)。其中，金屬芯印刷電路板熱導(dǎo)率受到絕緣層的限制，熱導(dǎo)率低，且不能實現(xiàn)板上封裝；覆銅陶瓷板采用直接鍵合方式將陶瓷和金屬鍵合在一起，提高了熱導(dǎo)率，同時使得熱膨脹系數(shù)控制在一個合適的范圍，但金屬和陶瓷的反應(yīng)能力低，潤濕性不好，使得鍵合難度高，界面結(jié)合強度低，易脫落；金屬基低溫?zé)Y(jié)陶瓷基板對成型尺寸精度要求高，工藝復(fù)雜，也同樣存在金屬和陶瓷潤濕性不好、易脫落的難題。近年來，SiC增強Al基復(fù)合材料(AlSiC)由于原材料價格便宜，能近凈成型復(fù)雜形狀，且具有熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)可調(diào)、比剛度大、密度小，使封裝結(jié)構(gòu)具有功率密度高、芯片壽命長、可靠性高和質(zhì)量輕等特點，在電子封裝領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。SiC顆粒作為增強材料具有性能優(yōu)異，成本低廉的優(yōu)點，其熱膨脹系數(shù)為4. 7 X IO-6oC ―1，與Si的熱膨脹系數(shù)最為接近，熱導(dǎo)率為8(Tl70W/m. k，彈性模量達450GPa，密度為3. 2g/cm_2。同時Al作為基板材料，具有高熱導(dǎo)率(17(T220W/m.k)、低密度(2. 97g/cm_2)、價格低廉和易于加工等優(yōu)點，其缺點是熱膨脹系數(shù)較高。但形成AlSiC復(fù)合材料以后，卻能發(fā)揮出SiC和Al各自的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，能表現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。更為重要的是AlSiC的熱膨脹系數(shù)可以通過SiC的加入量來調(diào)節(jié)，從而可以獲得精確的熱膨脹系數(shù)匹配，可以實現(xiàn)電子芯片的板上封裝。AlSiC電子封裝材料的制備方法由SiC預(yù)制件制備和融熔鋁合金液浸滲兩步組成。目前，預(yù)制件的制備方法主要有模壓成型、美國AFT公司的粉末注射成型和美國CPS公司的Quickset 注射成型技術(shù)。其中，模壓成型適用于一些結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件，成型模具制造簡單、操作方便、周期短、效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，較適用于AlSiC封裝材料的前期研制。浸滲工藝主要有真空壓力浸滲和無壓浸滲。真空壓力浸滲雖然可以得到性能優(yōu)良、氣孔缺陷較少的AlSiC復(fù)合材料，但真空壓力浸滲對設(shè)備材料要求較高，設(shè)備投資和模具成本高，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高，工藝實施起來相對復(fù)雜。無壓浸滲利用反應(yīng)誘發(fā)潤濕來實現(xiàn)良好浸滲，目前能實現(xiàn)高體積分數(shù)粉末增強金屬基復(fù)合材料的近凈成型。無壓浸滲工藝過程中沒有壓力作用，也不需要昂貴的設(shè)備，生產(chǎn)成本低，工藝簡單
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，技術(shù)操作性強，工藝簡單易行，成本低廉，易于控制。制備得到的復(fù)合材料界面結(jié)合強度高，增強體顆粒分布均勻，具有良好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，能廣泛應(yīng)用于電子器件的封裝領(lǐng)域。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)—種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)在α-SiC原料中加入淀粉，混合均勻；再加入粘結(jié)劑，再次混合均勻，并經(jīng)烘干、過篩后得到預(yù)制件材料；所述粘結(jié)劑由摩爾比為10 :廣20:1的恥04和Al2O3組成，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的6 10% ；(2)將步驟(I)得到的預(yù)制件材料裝入模具，使用液壓機模壓成型得到預(yù)制件濕坯；(3)步驟(2)得到的預(yù)制件濕坯經(jīng)燒制后得到預(yù)制件；(4)將步驟(3)得到的預(yù)制件與Al-Mg-Si系合金采用無壓浸滲工藝得到SiC增強Al基復(fù)合材料。所述a-SiC原料由粒徑比為6:1 7:1的兩種a_SiC顆粒組成。所述a-SiC原料由粒徑為50 70 μ m的a_SiC顆粒和8 10 μ m的a_SiC顆粒組成，所述粒徑為5(Γ70μπι的a-SiC顆粒與8 10 μ m的a-SiC顆粒的質(zhì)量比為3:廣3. 5:1。所述淀粉的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的4 14%。

所述燒制的燒成參數(shù)為:(Tl00°C升溫時間為9 12min，100°C保溫4.5 5.5h，100 250 °C 升溫時間為 50mirTl. 5h, 250 V 保溫 50mirTl. 5h, 250^500 °C 升溫時間為1.5 2. 5h，500°C保溫 I 2h。所述Al-Mg-Si系合金中各元素質(zhì)量比為1 :(6 9):(2 4)。所述無壓浸滲工藝，具體為將預(yù)制件和Al-Mg-Si系合金分別放入浸滲設(shè)備中，抽真空至10_3以下，將預(yù)制件加熱至65(Γ700 V，Al-Mg-Si系合金過熱至90(T950 °C，充入N2,使?fàn)t內(nèi)壓強達O. 1(T0. 12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放預(yù)制件的模具中進行浸滲，保溫40mirTlh，隨爐冷卻至58(T600°C，取出空冷，制得SiC增強Al基復(fù)合材料。所述模壓成型的工藝參數(shù)為壓強為18(T220Mpa，保壓2 5min。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果(I)本發(fā)明采用的粘結(jié)劑，成本低廉，強度高，提高了本發(fā)明的SiC增強Al基復(fù)合材料的力學(xué)強度。( 2 )本發(fā)明選用淀粉作為造孔劑，造孔過程易于控制，并易于通過改變淀粉用量控制預(yù)制件的孔隙率，從而控制AlSiC復(fù)合材料中SiC增強體的體積分數(shù)，控制復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。(3)本發(fā)明采用Al-Mg-Si系合金為基質(zhì)，能防止Al4C3脆性相的形成，并能有效地提高浸滲過程中預(yù)制件和Al合金液之間的潤濕性，從而可以獲得高質(zhì)量的AlSiC復(fù)合材料。(4)本發(fā)明采用無壓浸滲和模壓成型工藝制備SiC增強Al基復(fù)合材料，具有工藝簡單易于控制，效率高，對設(shè)備要求低等優(yōu)點，為大規(guī)模的生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。
(5) SiC和Al合金作為原材料，具有原材料成本低廉，易得的優(yōu)點。


圖1為實施例1制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的拋光表面掃描電鏡(SEM)形貌圖。圖2為實施例1制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的打磨表面低倍背反射(EBSD)電子形貌圖。圖3為實施例1制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的SEM斷口形貌圖。圖4為實施例1制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的X射線衍射(XRD)圖譜。圖5為實施例1制 備的SiC增強Al基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)在α-SiC原料中加入淀粉，混合均勻；再加入粘結(jié)劑，再次混合均勻，并經(jīng)烘干、過篩后得到預(yù)制件材料；所述粘結(jié)劑由摩爾比為10 1的H3POjPAl2O3組成；所述Q-SiC原料由粒徑為50 μ m的a-SiC顆粒和8 μ m的α-SiC顆粒組成，所述粒徑為50 μ m的a_SiC顆粒與8 μ m的a-SiC顆粒的質(zhì)量比為3:1 ;所述粘結(jié)劑的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的10%，所述淀粉的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的5%。(2)將步驟(I)得到的預(yù)制件材料裝入模具，使用液壓機模壓成型得到預(yù)制件濕坯；所述模壓成型的工藝參數(shù)為壓強為200Mpa，保壓3min。(3)步驟(2)得到的預(yù)制件濕坯經(jīng)燒制后得到預(yù)制件；所述燒制的燒成參數(shù)為(TlO(TC升溫時間為lOmin，100°C保溫5h，10(T250°C升溫時間為lh，250°C保溫lh，25(T500°C升溫時間為2h，500°C保溫lh。(4)將步驟(3)得到的預(yù)制件與Al-Mg-Si系合金采用無壓浸滲工藝得到SiC增強Al基復(fù)合材料；所述Al-Mg-Si系合金中各元素質(zhì)量比為1 7 3 ；所述無壓浸滲工藝，具體為將預(yù)制件和Al-Mg-Si系合金分別放入浸滲設(shè)備中，抽真空至10_3以下，將預(yù)制件加熱至700°C，Al-Mg-Si系合金過熱至950°C，充入N2，使?fàn)t內(nèi)壓強達O. 12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放預(yù)制件的模具中進行浸滲，保溫45min，隨爐冷卻至600°C，取出空冷，制得AlSiC復(fù)合材料。圖1為本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的拋光表面掃描電鏡(SEM)形貌圖。圖2為本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的打磨表面低倍背反射(EBSD)電子形貌圖。由圖廣2可知，大小粒徑的SiC顆粒均勻分布于Al基體中，小顆粒SiC填充在大顆粒SiC形成的空隙中，提高了復(fù)合材料中SiC的體積分數(shù)，據(jù)測試SiC體積分數(shù)高達66%。圖3為本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的SEM斷口形貌圖。可見，部分SiC顆粒被拉斷，但沒有顆粒的脫離和拔出，以此可以說明Al基體和增強體界面結(jié)合狀況非常理想。圖中也未看到氣孔等缺陷，說明了 Al的浸滲很充分，Mg元素的加入有效地提高了潤濕性。
圖4為本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的X射線衍射(XRD)圖譜。從譜圖得知，復(fù)合材料中主要含有SiC相，Al相，MgO相和Mg2Si相，不存在Al4C3脆性相。這說明Al合金中Si元素的加入有效地防止了 Al4C3脆性相的形成。
圖5為本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的曲線。可以看出，AlSiC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在7.77X 10_6 10.89X10_6°C 之間變化， 300C 500。。和300C 100°C內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)分別為9. 31 X IO-6oC 和8.1OXlO-6oC ' 這可以與陶瓷基片保持良好的熱匹配。
本實施例制備的SiC增強Al基復(fù)合材料室溫下的熱擴散率，密度，比熱及熱導(dǎo)率見表1，可知本實施例制備得到的AlSiC復(fù)合材料具有密度低，熱導(dǎo)率高的優(yōu)良性能。
表I本發(fā)明制得的AlSiC復(fù)合材料熱導(dǎo)率測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)在α-SiC原料中加入淀粉，混合均勻；再加入粘結(jié)劑，再次混合均勻，并經(jīng)烘干、過篩后得到預(yù)制件材料；所述粘結(jié)劑由摩爾比為10 Γ20:1的H3PO4和Al2O3組成，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的6 10% ； (2)將步驟(I)得到的預(yù)制件材料裝入模具，使用液壓機模壓成型得到預(yù)制件濕坯； (3)步驟(2)得到的預(yù)制件濕坯經(jīng)燒制后得到預(yù)制件； (4)將步驟(3)得到的預(yù)制件與Al-Mg-Si系合金采用無壓浸滲工藝得到SiC增強Al基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述a-SiC原料由粒徑比為6: f 7:1的兩種a-SiC顆粒組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述a-SiC原料由粒徑為5(Γ70 μ m的a-SiC顆粒和8 10 μ m的a_SiC顆粒組成，所述粒徑為5(Γ70 μ m的a-SiC顆粒與8 ΙΟμπι的a-SiC顆粒的質(zhì)量比為3:1 3. 5:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述淀粉的質(zhì)量為a-SiC原料、粘結(jié)劑和淀粉質(zhì)量之和的4 14%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述燒制的燒成參數(shù)為(TlO(TC升溫時間為9 12min，100°C保溫4. 5 5. 5h，10(T25(TC升溫時間為50mirTl· 5h，250°C保溫 50mirTl· 5h，25(T500°C升溫時間為1. 5 2. 5h，500°C保溫 I 2h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述Al-Mg-Si系合金中各元素質(zhì)量比為1 :(6、)(2 4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述無壓浸滲工藝，具體為 將預(yù)制件和Al-Mg-Si系合金分別放入浸滲設(shè)備中，抽真空至10_3以下，將預(yù)制件加熱至65(T70(TC，Al-Mg-Si系合金過熱至90(T95(TC，充入N2，使?fàn)t內(nèi)壓強達O. 10 0. 12Mpa，熔融的Al-Mg-Si系合金注入盛放預(yù)制件的模具中進行浸滲，保溫40mirTlh，隨爐冷卻至580^6000C，取出空冷，制得SiC增強Al基復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述模壓成型的工藝參數(shù)為壓強為18(T220Mpa，保壓2 5min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SiC增強Al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(1)在ɑ-SiC原料中加入淀粉，混合均勻；再加入質(zhì)量百分比為6~10%的粘結(jié)劑，再次混合均勻，并經(jīng)烘干、過篩后得到預(yù)制件材料；所述粘結(jié)劑由摩爾比為101~201的H3PO4和Al2O3組成；(2)預(yù)制件材料裝入模具，使用液壓機模壓成型得到預(yù)制件濕坯；(3)預(yù)制件濕坯經(jīng)燒制后得到預(yù)制件；(4)預(yù)制件與Al-Mg-Si系合金采用無壓浸滲工藝得到SiC增強Al基復(fù)合材料。本發(fā)明技術(shù)操作性強，工藝簡單易行，成本低廉，易于控制；制備得到的復(fù)合材料界面結(jié)合強度高，增強體顆粒分布均勻，具有良好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。
文檔編號C22C1/10GK103060596SQ20121055036
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者李國強, 劉玫潭, 蔡旭升, 何麗嬌 申請人:華南理工大學(xué)