本發(fā)明涉及一種新型低成本高硅鋁封裝材料的制備方法。

背景技術(shù)：

封裝是集成器件和模塊的重要組成部分，占其總成本的近30％。隨著集成電路和模塊向大功率、小型化、輕量化、高工作頻率、高密度、多功能和高可靠性等方向發(fā)展，對封裝材料，尤其是封裝殼體用材料的性能提出了更高的要求。作為集成電路的重要組成部分，封裝殼體主要起著機械支撐、散熱通道、信號傳輸、芯片和基板保護等作用。為了滿足集成電路高頻、高密度和高氣密性要求等特點，首先要求封裝殼體材料具有良好的散熱性能，熱導(dǎo)率高于100W/m.K，能將芯片工作時產(chǎn)生的熱量快速散失，避免因溫度過高而失效；其次應(yīng)具有低的熱膨脹性能，熱膨脹系數(shù)(Coefficient Thermal Expansion，CTE)在7-18ppm/℃，可以與GaAs、Si等芯片材料匹配，降低二者之間的熱錯配內(nèi)應(yīng)力，防止芯片與封裝殼體在連接部位開裂；第三是還應(yīng)有較低的密度，以實現(xiàn)集成電路的輕量化?？紤]到對芯片的支撐和保護作用，要求封裝材料應(yīng)有一定的機械強度和良好的耐蝕性，能抵御高溫、高濕、腐蝕、輻射等有害環(huán)境對電子器件的影響。在工業(yè)化大規(guī)模使用，材料還應(yīng)滿足良好的機械加工性能，低的制造成本和應(yīng)用成本。

鋁、硅是地球上儲量豐富的兩種金屬元素，它們的密度均低于3g/cm³，并且金屬鋁具有良好的導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率為237W/m.K，金屬硅具有低的熱膨脹系數(shù)，CTE為4.1ppm/℃，二者復(fù)合形成的新材料無中間相產(chǎn)生。根據(jù)復(fù)合材料的混合原則，硅含量在30～70wt.％的硅鋁復(fù)合材料密度在2.3～2.7g/cm³，熱膨脹系數(shù)在4.5～11ppm/℃，而熱導(dǎo)率大于100W/m.K，是用于制作高密度封裝殼體的理想材料。它既可克服現(xiàn)有封裝材料如Kovar、Invar合金的高密度、低導(dǎo)熱的局限，又可替代目前熱點開發(fā)的SiC/Al復(fù)合材料，后者由于機械加工困難、表面涂鍍性能差等，在封裝應(yīng)用成本上缺乏優(yōu)勢。兼具良好的熱物理性能、機械加工性能以及表面涂覆性能，使得高硅鋁復(fù)合材料自上世紀90年代就成為各國競相開發(fā)的新一代電子封裝材料。突出的是英國的SANDVIK公司(原OSPREYMETALS公司)，其采用噴射沉積專利技術(shù)(US Patent 6,312,535)制備的Al-(12-70)wt.％Si合金，又稱為CE系列合金，CTE可在7.4-20ppm/℃之間任意調(diào)控，熱導(dǎo)率控制在120-177W/m.K，密度＜2.7g/cm³。目前，CE系列合金已經(jīng)成功應(yīng)用于航天、航空及軍用電子器件的封裝，如Raytheon/Pacific Aerospace and Airborne systems、Ericsson Microwave system和C-MAC高頻傳輸模塊封裝等。同時期內(nèi)，以美國的YuYongChen、D.D.L.Chung為代表的研究人員提出采用液態(tài)金屬浸滲法使熔融的Al金屬液在壓力作用下滲入到Si顆粒構(gòu)成網(wǎng)狀骨架中，制備的60％Si/Al復(fù)合材料CTE為8.4ppm/℃，TC達161W/m.K，密度≤2.4g/cm³，相關(guān)技術(shù)已獲得美國專利授予(US Patent 6,759,269)。國內(nèi)研究院所及企業(yè)針對高硅鋁復(fù)合材料的研究始于本世紀初，相繼開發(fā)出了噴射沉積、液相浸滲、粉末冶金等技術(shù)制備高硅鋁復(fù)合材料，但普遍存在工藝流程長，設(shè)備復(fù)雜，材料孔隙率高，生產(chǎn)成本高等問題，使高硅鋁復(fù)合材料在國內(nèi)的實際應(yīng)用受到了很大限制。

處于半固態(tài)溫度區(qū)間的合金在壓力作用下發(fā)生變形，由于液相和固相間的流動阻力不同，將產(chǎn)生分離流動，其中液相由于表觀黏度低，流動阻力小，會穿過固相間的縫隙向四周流動，而固相黏度高，流動阻力大，將富集在合金內(nèi)部。利用液固相的分離現(xiàn)象，將部分液相從半固態(tài)合金中分離出去，剩余合金中將形成固相富集，進而可以獲得固相體積分數(shù)提高了的新型合金及復(fù)合材料。低硅含量的鋁硅合金(含20～25％Si)室溫下平衡組織由初生Si相和共晶組織組成，當加熱至共晶溫度(577℃)以上時，由共晶硅和富Al相組成的共晶組織熔點低，首先熔化成低硅含量的液相，而初生Si相由于熔點高，將以固相形式存在。在壓力作用下，初生Si相與液相分離流動，采用一定的機構(gòu)將部分液相從半固態(tài)體系中分離出去，剩余合金中初生Si相富集，即可獲得新型高硅鋁材料。設(shè)低硅鋁合金中Si元素質(zhì)量分數(shù)為C₀，加熱至半固態(tài)溫度T時合金中液相中含Si量為C_L^T根據(jù)二元合金相圖杠桿定律，此時合金中初生Si相的質(zhì)量分數(shù)為設(shè)分離出液相質(zhì)量占原始坯料質(zhì)量百分數(shù)為x，則根據(jù)質(zhì)量守恒定律，液固分離后剩余合金中初生Si相質(zhì)量分數(shù)為式中C_L^T取決于半固態(tài)加熱溫度。在初始合金中Si含量C₀及半固態(tài)加熱溫度T一定條件下，分離出液相質(zhì)量分數(shù)x越大，獲得合金中初生Si相質(zhì)量分數(shù)越大。令常數(shù)，液固分離后剩余合金中液相質(zhì)量分數(shù)為f_L’＝l-f_S’，可以得到高硅鋁合金中Si元素質(zhì)量分數(shù)為因此通過定量分離出x液相，可以獲得目標設(shè)定硅元素含量或Si相質(zhì)量分數(shù)的高硅鋁合金。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是提出一種具有低密度、低膨脹性能和高導(dǎo)熱性能的硅鋁電子封裝材料及其新型低成本制備技術(shù)。本發(fā)明提供的技術(shù)具有工序簡單、流程短、易操控等優(yōu)點，可以解決現(xiàn)有高硅鋁材料制造成本較高的問題，同時材料具有高的致密度、優(yōu)良的熱物理性能和力學(xué)性能。以上發(fā)明目的的實現(xiàn)通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種具有低密度、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱系數(shù)的高硅鋁電子封裝材料的低成本技術(shù)，材料中Si含量在30～70％。具體的步驟為：一、熔煉制備含20-30wt.％Si的低硅含量鋁硅合金，變質(zhì)細化處理后澆注成錠；二、從鑄錠上定量切割坯料，加熱至580-650℃，保溫10-60min，獲得含有一定初生硅相的半固態(tài)漿料；三、半固態(tài)漿料快速轉(zhuǎn)移至帶有分離機構(gòu)的模具型腔中，施加一定的壓力使?jié){料中的液、固相產(chǎn)生分離，液相流向盛放濾出液的特定型腔中，模腔內(nèi)剩余富硅相半固態(tài)漿料；四、繼續(xù)施加壓力使剩余的半固態(tài)漿料凝固成形；五、脫模，取出壓制件并退火處理。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、流程短，成本低。本發(fā)明采用半固態(tài)漿料液固分離技術(shù)制備高硅鋁材料工藝路線簡單易行，無需復(fù)雜龐大裝備，制備溫度低，材料可循環(huán)利用，可實現(xiàn)電子封裝殼體的近凈成形制造，節(jié)約大量材料和機械加工費用。

2、材料的致密度高。在半固態(tài)漿料液固分離后繼續(xù)保持高壓凝固，可以消除液固分離過程中產(chǎn)生的縮孔等缺陷，實現(xiàn)材料的高致密性，致密度達到99％以上。

3、材料具有高的導(dǎo)熱性能和可控的低膨脹系數(shù)。采用本發(fā)明提供技術(shù)制備的高硅鋁材料中硅相形態(tài)圓鈍化，鋁基體相連續(xù)分布，可以獲得高的熱導(dǎo)率，如制備的Al-43％Si復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達到130W/m.K，而噴射沉積制備的同等硅含量合金，熱導(dǎo)率測定值僅為96W/m.K，此外熱膨脹系數(shù)可以依據(jù)Si含量在7～18ppm/℃間任意調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)制備的高硅鋁復(fù)合材料組織，其中，圖1(a)為低硅鋁合金坯料Al-25％Si組織；圖1(b)Al-43％Si復(fù)合材料組織，圖1(c)為Al-50％Si復(fù)合材料組織，圖2是具體實施方式中制備方法所用液固分離模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式一

用圖2所示模具結(jié)構(gòu)制備Al-(40～70)wt.％Si復(fù)合材料，主要裝置由壓力機上、下模板1和10、加熱元件2、上模腔3、分離結(jié)構(gòu)5、下模腔7、樣品臺8、壓頭9組成。具體實施方法是：

(1)配制含20～30wt.％Si的低硅含量鋁硅合金，在750～900℃溫度下熔化，精煉除氣后加入含3-5％P的鋁磷中間合金變質(zhì)處理，加入量在0.4-2％，變質(zhì)溫度在液相線以上50-120℃，時間10-60min。處理好的金屬液澆注至金屬型中凝固形成鑄錠。經(jīng)變質(zhì)處理的低硅鋁合金中初生Si相呈規(guī)則塊狀，尺寸在30～60μm，體積分數(shù)在9-18％；

(2)從Al-(20-30wt.％)Si合金鑄錠上定量切割一定尺寸的坯料，加熱至580-650℃，保溫10-60min。

(3)液固分離模具預(yù)熱至300-500℃，Al-(20-30wt.％)Si半固態(tài)漿料6轉(zhuǎn)移至液固分離模具型腔8中；

(4)通過壓頭9向上施壓壓力，使?jié){料中的固相和液相產(chǎn)生分離，液相4經(jīng)由分離結(jié)構(gòu)5流入上模腔4中，下模腔8中留下富硅相的半固態(tài)漿料，分離壓力根據(jù)成份要求在5-30MPa；

(5)繼續(xù)施加壓力使富硅相的半固態(tài)漿料在壓力下凝固，壓力大小在20-100MPa；

(6)脫模，取出壓制件；

(7)壓制件退火處理，溫度為350-490℃。

具體實施方式二

本實施方式與實施方式一不同點在于其制備步驟是：

(1)配制含(20～30)wt.％Si的低硅鋁合金，在750-900℃溫度下熔化，精煉除氣處理后加入含P量為 3-5％的鋁磷中間合金變質(zhì)處理，加入量在0.4-2％，變質(zhì)溫度在液相線以上50-120℃，時間10-60min；

(2)取變質(zhì)處理結(jié)束的低硅鋁合金熔體定量澆注到一定溫度的鑄模中，冷卻使熔體溫度降至液固兩相區(qū)，溫度在580-620℃，保溫5-10min，形成半固態(tài)漿料坯；

(3)半固態(tài)漿料坯轉(zhuǎn)移至液固分離模具型腔8中；

(4)通過壓頭9向上施壓壓力，使?jié){料中的固相和液相產(chǎn)生分離，液相經(jīng)由分離結(jié)構(gòu)5流入上模腔4，下模腔8中留下富硅相的半固態(tài)漿料，分離壓力根據(jù)成份要求在5-30Mpa；

(5)繼續(xù)施加壓力使富硅相的半固態(tài)漿料在壓力下凝固，壓力大小在20-100MPa；

(6)脫模，取出壓制件；

(7)壓制件退火處理，溫度為350-490℃。

實施例1

采用工業(yè)純硅和Al-23wt.％Si中間合金配制Al-25wt.％Si合金，在電阻爐中加熱至800℃熔化后，精煉、除渣后靜置10min，調(diào)整溫度至850℃，加入Al-4.6P中間合金變質(zhì)處理，保溫30min，澆注至金屬模內(nèi)。金相檢驗坯料中初生硅相的平均直徑為48μm。

Al-25wt.％Si鑄錠上截取尺寸為68mm×34mm×20mm的坯料，質(zhì)量為116g。坯料加熱至590℃，保溫50min后快速轉(zhuǎn)移至模具下模腔8中，向上施加壓力10MPa使部分液相經(jīng)由分離結(jié)構(gòu)5中的縫隙流進上模腔4，下模腔8中剩余富硅相半固態(tài)漿料，最終分離出液相質(zhì)量為70g，失液率(分離出液相與坯料原始質(zhì)量百分比，下同)為60％。在壓力作用下凝固的富硅相半固態(tài)漿料凝固后脫模，獲得尺寸為68mm×34mm×8mm的壓制件，后400℃退火處理。采用化學(xué)元素分析法測定高硅鋁材料中Si元素含量為43％(質(zhì)量百分比)。物理及力學(xué)性能測定結(jié)果為：密度為2.48g/cm³，致密度99.3％，熱導(dǎo)率為130W/m.K，25～100℃平均熱膨脹系數(shù)為11.7ppm/℃，抗彎強度為180MPa，彈性模量為109GPa。

實施例2

與例1不同的是從Al-25％Si鑄錠上截取坯料尺寸為68mm×34mm×30mm，質(zhì)量為175g。半固態(tài)保溫時間為50min。液固分離后，分離出液相質(zhì)量119g，失液率為68％。壓制件尺寸為68mm×34mm×10mm。高硅鋁材料中Si元素含量為50.6％(質(zhì)量百分比)。物理及力學(xué)性能測定結(jié)果為：密度為2.47g/cm³，致密度99.6％，熱導(dǎo)率為121W/m.K，25～100℃平均熱膨脹系數(shù)為10.2ppm/℃，抗彎強度為170MPa，彈性模量為110GPa。

實施例3

與例1和例2不同的是從Al-25％Si鑄錠上截取坯料尺寸為68mm×34mm×40mm，質(zhì)量為231g。半固態(tài)保溫時間為60min。分離出液相質(zhì)量為185g，失液率80％。壓制件尺寸為68mm×34mm×8.3mm。高硅鋁材料中Si元素含量為69％(質(zhì)量百分比)。物理及力學(xué)性能測定結(jié)果為：密度為2.42g/cm³，致密度99.6％，熱導(dǎo)率為119.5W/m.K，25～100℃平均熱膨脹系數(shù)為9.6ppm/℃，抗彎強度為132MPa，彈性模量為125GPa。