專利名稱：一種制備高導(dǎo)熱SiCp/Al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，特別是提供了一種制備高導(dǎo)熱SiCp/Al電子封裝材料的方法，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)法制備高性能高碳化硅體積百分含量(30～85％)SiCp/Al電子封裝材料。
背景技術(shù)：
SiCp/Al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、精密儀器及微波器件高性能、電力電子(或光電子)器件封裝中，對(duì)降低成本、減輕重量會(huì)起到積極的作用。此類材料的需求頗為巨大，市場(chǎng)前景廣闊。
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，這些方法生產(chǎn)出的復(fù)合材料，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制備過(guò)程復(fù)雜，容易引入各種缺陷，從而影響產(chǎn)品最終的熱性能。
放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS)是國(guó)際九十年代材料制備的新技術(shù)之一。它是利用脈沖大電流直接施加于模具和樣品上，產(chǎn)生體加熱(如

圖1所示)，使被燒結(jié)樣品快速升溫；同時(shí)，脈沖電流引起的顆粒間放電效應(yīng)，凈化顆粒表面，實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，有效抑制晶粒長(zhǎng)大。該制備方法具有明顯的升溫速度快、燒結(jié)體密實(shí)度高、工藝簡(jiǎn)單、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛的應(yīng)用于細(xì)晶粒材料及納米材料、梯度材料的燒結(jié)，并在制備其他高性能功能材料方面也贏得了關(guān)注和重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備高導(dǎo)熱SiCp/Al電子封裝材料的方法，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備高強(qiáng)高導(dǎo)熱碳化硅(體積分?jǐn)?shù)30～85％)增強(qiáng)鋁基電子封裝材料，解決了SiCp/Al電子封裝材料制備中工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)、性能低等問(wèn)題。
本發(fā)明制備SiCp/Al電子封裝材料的工藝是SiC顆粒選用7～60μm，Al選用純Al粉，或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的Al合金粉，粒度為1～40μm，將SiC顆粒與Al粉或Al合金粉末按體積比為(30～85)∶(70～15)均勻混合。
將上述混合均勻的SiC/Al粉末放入石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為抽真空后，以20～200℃/min的升溫速度加熱到500～800℃，并在升溫過(guò)程中施加20～50MPa的壓力，至燒結(jié)溫度后保溫2～10分鐘，脫出膜腔，即制得了高強(qiáng)高導(dǎo)熱性能的SiCp(30～85％)/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30～85％的SiCp/Al電子封裝材料，其導(dǎo)熱率為150～200W/m-K、密度為2.80～3.10g/cm3、熱膨脹系數(shù)為(10.5～6.6)×106/K，提高了電子封裝材料的可設(shè)計(jì)性，導(dǎo)熱性；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)明工藝簡(jiǎn)單、燒結(jié)時(shí)間短、效率高、成本低。
附1為SPS-1050設(shè)備簡(jiǎn)圖，其中，石墨模具1、石墨盤(pán)2、電極3、沖頭4、粉末樣5、真空室6、紅外測(cè)溫儀7。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1原料粒徑為7μm的SiC顆粒與純Al粉體積比為60∶40。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨機(jī)濕混均勻，在真空干燥箱烘干后裝入石墨模具中，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)工藝為以20℃/min的升溫速率升溫，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)施加30MPa的壓力，加熱到600℃時(shí)保溫5分鐘，燒結(jié)完畢。待冷卻至100℃以下時(shí)，取出，脫模。即制得了SiCp(60％)/Al電子封裝材料。所得材料其導(dǎo)熱率為180W/m-K、密度為2.98g/cm3、熱膨脹系數(shù)為8.0×106/K。
實(shí)施例2原料粒徑為28μm的SiC顆粒與純Al粉體積比為85∶15。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨機(jī)濕混均勻，在真空干燥箱烘干后裝入石墨模具中，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)工藝為以50℃/min的升溫速率升溫，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)施加40MPa的壓力，加熱到650℃時(shí)保溫5分鐘，燒結(jié)完畢。待冷卻至100℃以下時(shí)，取出，脫模。即制得了SiCp(85％)/Al電子封裝材料。所得材料其導(dǎo)熱率為191W/m-K、密度為3.10g/cm3、熱膨脹系數(shù)為6.6×106/K。
實(shí)施例3原料粒徑為40μm的SiC顆粒與6061Al粉體積比為70∶30。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨機(jī)濕混均勻，在真空干燥箱烘干后裝入石墨模具中，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)工藝為以80℃/min的升溫速率升溫，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)施加35MPa的壓力，加熱到650℃時(shí)保溫10分鐘，燒結(jié)完畢。待冷卻至100℃以下時(shí)，取出，脫模。即制得了SiCp(70％)/Al電子封裝材料。所得材料其導(dǎo)熱率為200W/m-K、密度為3.00g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.6×106/K。
實(shí)施例4原料粒徑為40μm的SiC顆粒與2024Al粉體積比為55∶45。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨機(jī)濕混均勻，在真空干燥箱烘干后裝入石墨模具中，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)工藝為以150℃/min的升溫速率升溫，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)施加45MPa的壓力，加熱到650℃時(shí)保溫10分鐘，燒結(jié)完畢。待冷卻至100℃以下時(shí)，取出，脫模。即制得了SiCp(60％)/Al電子封裝材料。所得材料其導(dǎo)熱率為178W/m-K、密度為2.90g/cm3、熱膨脹系數(shù)為7.9×106/K。
實(shí)施例5原料粒徑為40μm的SiC顆粒與純Al粉體積比為30∶70。
取上述配比的原料粉10g，用高能球磨機(jī)濕混均勻，在真空干燥箱烘干后裝入石墨模具中，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)工藝為以200℃/min的升溫速率升溫，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)施加30MPa的壓力，加熱到600℃時(shí)保溫5分鐘，燒結(jié)完畢。待冷卻至100℃以下時(shí)，取出，脫模。即制得了SiCp(30％)/Al電子封裝材料。所得材料其導(dǎo)熱率為200W/m-K、密度為2.80g/cm3、熱膨脹系數(shù)為10.5×106/K。
權(quán)利要求
1.一種制備高導(dǎo)熱SiCp/Al電子封裝材料的方法，其特征在于首先將SiC粉與Al粉或Al合金粉按體積比為30～85∶70～15均勻混合，然后，將混合均勻的SiC/Al粉末裝入石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)；燒結(jié)工藝為抽真空后，以20～200℃/min的升溫速度加熱到燒結(jié)溫度500～800℃，并在升溫過(guò)程中施加20～50MPa的壓力，達(dá)到燒結(jié)溫度后保溫2～10分鐘，脫出膜腔，制得了高強(qiáng)高導(dǎo)熱性能的SiCp/Al電子封裝材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于SiC顆粒粒徑為7～60μm，純Al粉或Al合金粉末粒度為1～40μm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備高導(dǎo)熱SiCp/Al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。首先將SiC粉與Al粉或Al合金粉按體積比為30～85∶70～15均勻混合，然后，將混合均勻的SiC/Al粉末裝入石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)。燒結(jié)工藝為抽真空后，以20～200℃/min的升溫速度加熱到燒結(jié)溫度500～800℃，并在升溫過(guò)程中施加20～50MPa的壓力，達(dá)到燒結(jié)溫度后保溫2～10分鐘，脫出膜腔，制得了高強(qiáng)高導(dǎo)熱性能的SiCp/Al電子封裝材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提高電子封裝材料的可設(shè)計(jì)性，導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)了工藝簡(jiǎn)單、流程短、效率高、成本低。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1830602SQ20061001169
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者尹法章, 賈成廠, 郭宏, 徐駿, 石力開(kāi), 褚克, 曲選輝, 張習(xí)敏 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 北京科技大學(xué)