一種高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)的連續(xù)成形方法
【專利摘要】一種高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)的連續(xù)成形方法，屬于電子封裝生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，將塊狀A(yù)356鋁合金加熱熔化后保溫靜置；再在攪拌條件下，向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為10%～24%的Si顆粒；然后冷卻后，可得到Si含量為16%～30%的鋁合金半固態(tài)坯料，經(jīng)模具連續(xù)擠壓成形，成形腔設(shè)計(jì)在擠壓模具凹模腔的底部邊緣水平方向。本發(fā)明利用半固態(tài)擠壓成形中液相與固相偏析和分離的特征，制備加工高性能薄壁復(fù)雜形狀高Si鋁合金電子封裝殼體。成形腔設(shè)計(jì)在擠壓模具凹模腔的底部邊緣水平方向，可以保證在垂直方向擠壓時(shí)漿料在水平方向產(chǎn)生偏析和分離。
【專利說明】一種高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)的連續(xù)成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子封裝生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種用半固態(tài)技術(shù)制備高Si招合金封裝外殼成形工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)材料科學(xué)與工程技術(shù)的要求日益提高，開發(fā)新型高性能結(jié)構(gòu)材料以及其先進(jìn)加工技術(shù)已經(jīng)成為廣大高科技企業(yè)需要迫切解決的問題，這一現(xiàn)象在電子封裝領(lǐng)域體現(xiàn)得更為明顯。航空航天、電子通信的飛速發(fā)展要求電子元器件能夠具有更高的集成度、更快的運(yùn)行速度和更大的容量，從而使得電子器件和電子裝置中元器件的復(fù)雜性和密集性日益提高，這必然會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)熱量提高、工作溫度上升，而穩(wěn)定性下降。據(jù)計(jì)算，在半導(dǎo)體器件中，溫度每升高18°C，失效的可能性就增加2-3倍。目前，電子封裝殼體結(jié)構(gòu)件主要通過用粉末注射法(SiC預(yù)制坯+液態(tài)金屬熔滲)制備加工。由于該方法存在工藝路線長、加工成本高、氣密性差、規(guī)?；a(chǎn)能力弱等缺點(diǎn)，使SiC/鋁封裝殼體一直未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。長期以來探索高性能、特別是具有高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)特點(diǎn)的薄壁復(fù)雜形狀封裝殼體結(jié)構(gòu)件的短流程、近終型加工技術(shù)已成為電子信息行業(yè)迫切需要解決的問題。如何找到一種巧妙的成形方法已成為廣大科學(xué)家和工程師一項(xiàng)極具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的工作。目前，問題的主要瓶頸是如何制備出新型電子封裝材料并提出短流程、近凈成形且易于控制的材料成形工藝。
[0003]另一方面，為盡快扭轉(zhuǎn)在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要地位的材料加工行業(yè)的高能耗、重污染和低性價(jià)比，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕環(huán)境污染，增強(qiáng)其國際競爭力，迫切需要從冶金材料科學(xué)發(fā)展前沿出發(fā)，突破傳統(tǒng)的冶金及加工工藝?yán)碚摵透拍?，利用高新技術(shù)對(duì)材料加工及控制技術(shù)進(jìn)行新的工藝探索，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的短流程、低能耗和高質(zhì)量。20世紀(jì)70年代初期半固態(tài)加工技術(shù)的出現(xiàn)無疑為解決上述問題帶來了希望。
[0004]目前國內(nèi)外所做的研究工作大部分都是通過采用半固態(tài)成形技術(shù)加工汽車、摩托車等零件。用于筆記本、手機(jī)殼體等為代表的3C產(chǎn)品主要是鎂合金材料。在對(duì)半固態(tài)壓鑄時(shí)漿料流動(dòng)行為的研究過程中(固相分?jǐn)?shù)約50%)，德國亞琢工業(yè)大學(xué)(RWTH-Aachen)的半固態(tài)研究中心曾專門設(shè)計(jì)了一個(gè)T形狀漿料充填裝置。根據(jù)其研究結(jié)果，半固態(tài)漿料流動(dòng)形式可分為紊流、過渡過程和層流(turbulent, transient and laminar)。其根本形式取決于漿料充填速度、凝固過程中的溫度和壓力，并可使用非牛頓流體的雙相模型對(duì)半固態(tài)漿料流動(dòng)形式進(jìn)行模擬。此外還有一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn):半固態(tài)漿料在充填過程中極易產(chǎn)生液相和固相的偏析和分離，其偏析和分離的程度取決于漿料充填速度、凝固過程中的溫度和壓力。在半固態(tài)A356鋁合金的漿料充填研究過程中，本專利 申請(qǐng)人:曾專門設(shè)計(jì)了不同的模具對(duì)漿料的充填狀況進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)漿料在模腔的充填過程中極易產(chǎn)生液相和固相的偏析和分離現(xiàn)象，其嚴(yán)重程度與模具型腔的形狀、結(jié)構(gòu)以及漿料充填的速度、溫度和壓力等有關(guān)。
[0005]一般認(rèn)為，半固態(tài)成形過程中液相與固相偏析和分離會(huì)導(dǎo)致成形件中成份組織分布不均，從而產(chǎn)生組織性能和力學(xué)性能分布不均，對(duì)使用性能產(chǎn)生不利影響。在高Si鋁合金半固態(tài)觸變擠壓成形中，通過對(duì)成形件部分區(qū)域的顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，Si顆粒分布密度隨著半固態(tài)漿料充填行程的不斷增加呈不斷上升的趨勢，這與半固態(tài)成形中液相流動(dòng)及分布規(guī)律一致。其根本的原因是由于在半固態(tài)漿料中Si顆粒主要分布于以b-共晶相存在的液相中的緣故，在隨后的半固態(tài)擠壓成形中Si顆粒隨著液相流動(dòng)到零件的邊部或頂部，因而其體積分布規(guī)律與液相分?jǐn)?shù)規(guī)律一致。這表明，Si顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高可以通過對(duì)液相分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)，也就是可用低Si體積分?jǐn)?shù)的鋁合金通過半固態(tài)擠壓成形得到高Si體積分?jǐn)?shù)的電子封裝殼體結(jié)構(gòu)件，從而降低熱膨脹系數(shù)。實(shí)現(xiàn)把半固態(tài)成形中液相與固相偏析和分離的不利因素轉(zhuǎn)化為制備與成形高Si體積分?jǐn)?shù)電子封裝殼體時(shí)的有利因素。
[0006]此外，高硅鋁合金導(dǎo)熱性能良好，密度低，約為2.3?2.5 g/cm3，比SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料還輕20%左右，原材料來源豐富，成本低廉，易于加工和表面處理(易電鍍)，且環(huán)境友好并可回收再生利用的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在軍工和航空航天大功率混合電路元器件封裝殼體結(jié)構(gòu)件上使用。
[0007]實(shí)際上，金屬(復(fù)合)材料以及超導(dǎo)材料的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能除了與(復(fù)合)材料本身成份結(jié)構(gòu)相關(guān)外，與其加工過程中形成的形變織構(gòu)有很重要的關(guān)系。目前國內(nèi)外對(duì)SiC預(yù)制坯的Al液或Cu液潤浸法仍是走傳統(tǒng)鑄造成型的道路，所得到的復(fù)合材料顯微組織中無明顯形變織構(gòu)，也就是說，所制備加工的電子封裝殼體是各向同性。在清華大學(xué)超導(dǎo)研究中心，對(duì)陶瓷材料和銀金屬制成的B1-系高溫超導(dǎo)材料研究表明，陶瓷金屬基復(fù)合材料中存在明顯織構(gòu)的地方，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能會(huì)成十倍的增加。而形變織構(gòu)的形成必須通過金屬塑性成形的方法獲得。在半固態(tài)擠壓成形過程中，漿料是在一定的壓力下由模具擠入模腔，其中的a-相在充填過程中會(huì)被拉長，形成與充填方向相一致的有利織構(gòu)。
[0008]目前薄壁復(fù)雜電子封裝殼體零件主要使用鋁基或銅基復(fù)合材料，如SiC/Al、SiC/Cu、Al/S1、Mo/Cu、W/ Cu以及Invar、Kovar等合金。使用Kovar合金時(shí)可采用沖壓技術(shù)加工而成，使用Mo/Cu、ff/ Cu時(shí)可采用粉末成形(機(jī)械合金化+粉末注射)技術(shù)加工而成，使用SiC/Al、SiC/Cu時(shí)可采用粉末冶金法(SiC預(yù)制坯+融熔金屬浸潤法)加工而成。而Cu和Al雖導(dǎo)熱性好，但熱膨脹系數(shù)過大，為降低熱膨脹系數(shù)通常采用提高SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的辦法，然而采用粉末冶金法制備高SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)電子封裝殼體的方法存在加工路線長、成本高、氣密性差等缺點(diǎn)，有許多關(guān)鍵技術(shù)沒有解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種能克服用粉末注射法制備高SiC體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料電子封裝殼體存在的加工路線長、生產(chǎn)成本高等問題的高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)成形方法。
[0010]本發(fā)明包括以下步驟:
1)將塊狀A(yù)356鋁合金加熱熔化后保溫靜置20?30分鐘；
2)攪拌條件下，向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為10%?24%的Si顆粒；然后冷卻后，可得到Si含量為16%?30%的鋁合金半固態(tài)坯料；
3)將半固態(tài)漿料輸送到模具中連續(xù)擠壓成形；成形腔設(shè)計(jì)在擠壓模具凹模腔的底部邊緣水平方向。
[0011]本發(fā)明利用半固態(tài)技術(shù)制備低熱膨脹、高導(dǎo)熱高Si鋁合金電子封裝外殼工藝，克服用粉末注射法制備高SiC體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料電子封裝殼體存在的加工路線長、生產(chǎn)成本高等問題，利用半固態(tài)擠壓成形中液相與固相偏析和分離的特征，制備加工高性能薄壁復(fù)雜形狀高Si鋁合金電子封裝殼體。成形腔設(shè)計(jì)在擠壓模具凹模腔的底部邊緣水平方向，可以保證在垂直方向擠壓時(shí)漿料在水平方向產(chǎn)生偏析和分離。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
1、利用半固態(tài)成形過程中液相與固相偏析和分離特征，將半固態(tài)成形工藝應(yīng)用于高Si鋁合金電子封裝殼體的制備。所得到的技術(shù)原型和通用性核心技術(shù)可同樣運(yùn)用于其它顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料成形高顆粒體積分?jǐn)?shù)的金屬殼體零件，如Al2O3 /Cu合金和Si3N4/Cu合金等。
[0013]2、本發(fā)明針對(duì)高導(dǎo)熱、低膨脹電子封裝殼體加工的市場需求，用低Si體積分?jǐn)?shù)鋁合金通過半固態(tài)擠壓成形工藝來制備高Si體積分?jǐn)?shù)鋁合金電子封裝殼體，擴(kuò)大了半固態(tài)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，拓展了電子封裝殼體的制造途徑，是一種完成嶄新的成形工藝。使用該工藝，不但可以實(shí)現(xiàn)電子封裝殼體的短流程、近終形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。完成后將使我國在高強(qiáng)度、超高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)等高性能電子封裝殼體的制備與成形技術(shù)上一個(gè)大臺(tái)階，為其高性能化和低成本生產(chǎn)提供有力保證。
[0014]另外，本發(fā)明所述連續(xù)擠壓成形的速度為80mm/s?140mm/s,成形溫度為575°C?579°C，模具預(yù)熱溫度為200°C?300°C，成形壓力為400KN?600KN，保壓時(shí)間為5?10秒。
[0015]半固態(tài)擠壓成形電子封裝殼體分為觸變擠壓成形和流變擠壓成形兩種方法。當(dāng)使用流變擠壓成形方法制備電子封裝殼體時(shí)，直接將半固態(tài)漿料輸送到模具中擠壓成形；對(duì)于用觸變擠壓成形方法制備電子封裝殼體，需要進(jìn)行半固態(tài)坯料二次感應(yīng)加熱，將感應(yīng)加熱后半固態(tài)坯料放入擠壓模具中擠壓成形得到電子封裝殼體。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:使用半固態(tài)觸變擠壓成形方法制備Si體積分?jǐn)?shù)為50%的高Si鋁合金電子封裝外殼零件。
[0017]1、模具設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為反擠壓成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部邊緣水平方向加工出電子封裝殼體的成形腔。
[0018]2、加工工藝:從 Duralcan 公司(Duralcan company)購買直徑為 Φ 50_ 的 A356鋁合金，其中Si含量為20%體積分?jǐn)?shù)。距切加工后，首先用580°C的感應(yīng)加熱爐將坯料快速均勻加熱到半固態(tài)溫度。
[0019]將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)坯料迅速用夾具放入到擠壓模具的凹模中(成形溫度為578°C，模具預(yù)熱溫度設(shè)為200°C)。壓力機(jī)的擠壓速度調(diào)整為120mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設(shè)為600KN，保壓時(shí)間設(shè)為10秒。
[0020]使用以上參數(shù)可擠壓成形得到薄壁復(fù)雜電子封裝殼體零件(Si體積分?jǐn)?shù)為50%)。
[0021]實(shí)施例2:使用半固態(tài)流變擠壓成形方法制備Si體積分?jǐn)?shù)為55%的高Si鋁合金電子封裝外殼零件。
[0022]1、模具設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為反擠壓成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部邊緣水平方向加工出電子封裝殼體的成形腔。[0023]2、加工工藝:在100°C對(duì)塊狀基體金屬鋁合金A356進(jìn)行干燥處理后，在電阻爐中加熱熔化。熔化溫度為640°C，鋁合金在完全熔化后保溫靜置30分鐘。向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為21%的細(xì)Si顆粒。為防止聚集，Si顆粒表面要預(yù)處理，在加入過程中要分多次逐步加入，邊加入邊均勻攪拌，同時(shí)控制冷卻到半固態(tài)溫度579°C。
[0024]使用簡易漿料輸送裝置將半固態(tài)漿料放入擠壓模具的凹模中(成形溫度為575°C?579°C，模具預(yù)熱溫度設(shè)為280°C)。壓力機(jī)的擠壓速度調(diào)整為130mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設(shè)為600KN，保壓時(shí)間設(shè)為8秒。
[0025]使用以上參數(shù)可擠壓成形得到薄壁復(fù)雜電子封裝殼體零件(Si體積分?jǐn)?shù)為54%)。
[0026]實(shí)施例3:使用半固態(tài)流變擠壓成形方法制備Si體積分?jǐn)?shù)為60%的高Si鋁合金電子封裝外殼零件。
[0027]1、模具設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為反擠壓成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部邊緣水平方向加工出電子封裝殼體的成形腔。
[0028]2、加工工藝:在100°C對(duì)塊狀基體金屬鋁合金A356進(jìn)行干燥處理后，在電阻爐中加熱熔化。熔化溫度設(shè)為640°C，鋁合金在完全熔化后保溫靜置20分鐘。向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為24%的細(xì)Si顆粒。為防止聚集，Si顆粒表面要預(yù)處理，在加入過程中要分多次逐步加入，邊加入邊均勻攪拌，同時(shí)控制冷卻到半固態(tài)溫度579°C。使用簡易漿料輸送裝置將半固態(tài)漿料放入擠壓模具的凹模中(模具預(yù)熱溫度為290°C，模具預(yù)熱溫度設(shè)為260°C)。壓力機(jī)的擠壓速度調(diào)整為140mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設(shè)為500KN，保壓時(shí)間設(shè)為7秒。
[0029]使用以上參數(shù)可擠壓成形得到薄壁復(fù)雜電子封裝殼體零件(Si體積分?jǐn)?shù)60%)。
[0030]實(shí)施例4:使用半固態(tài)觸變擠壓成形方法制備Si體積分?jǐn)?shù)為60%的高Si鋁合金電子封裝外殼零件。
[0031]1、模具設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為反擠壓成形杯形件的模具，并在凹模腔的底部邊緣水平方向加工出電子封裝殼體的成形腔。
[0032]2、加工工藝:在100°C對(duì)塊狀基體金屬鋁合金A356進(jìn)行干燥處理后，在電阻爐中加熱熔化。熔化溫度設(shè)為640°C，鋁合金在完全熔化后保溫靜置30分鐘。向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為10%的細(xì)Si顆粒。為防止聚集，Si顆粒表面要預(yù)處理，在加入過程中要分多次逐步加入，邊加入邊均勻攪拌，同時(shí)控制冷卻到半固態(tài)溫度579°C。
[0033]將半固態(tài)混合料再投入感應(yīng)加熱爐，在579 °C溫度下處理3分鐘，然后使用簡易漿料輸送裝置將半固態(tài)漿料放入擠壓模具的凹模中(模具預(yù)熱溫度為285°C，模具預(yù)熱溫度設(shè)為260°C)。壓力機(jī)的擠壓速度調(diào)整為80mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設(shè)為400KN，保壓時(shí)間設(shè)為10秒。
[0034]使用以上參數(shù)可擠壓成形得到薄壁復(fù)雜電子封裝殼體零件(Si體積分?jǐn)?shù)58%)。
【權(quán)利要求】
1.一種高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)的連續(xù)成形方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將塊狀A(yù)356鋁合金加熱熔化后保溫靜置20?30分鐘； 2)攪拌條件下，向保溫靜置后的鋁合金液加入體積分?jǐn)?shù)為10%?24%的Si顆粒；然后冷卻得到鋁合金半固態(tài)坯料； 3)將半固態(tài)漿料輸送到模具中連續(xù)擠壓成形；成形腔設(shè)計(jì)在擠壓模具凹模腔的底部邊緣水平方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)成形方法，其特征在于所述連續(xù)擠壓成形的速度為80mm/s?140mm/s，成形溫度為575°C?579°C，模具預(yù)熱溫度為200°C?300°C，成形壓力為400KN?600KN，保壓時(shí)間為5?10秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)成形方法，其特征在于所述擠壓成形為流變擠壓成形，直接將半固態(tài)漿料輸送到模具中擠壓成形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)成形方法，其特征在于所述擠壓成形為觸變擠壓成形，將鋁合金半固態(tài)坯料進(jìn)行二次感應(yīng)加熱后，輸送到模具中擠壓成形。
【文檔編號(hào)】B22D1/00GK103831417SQ201410087101
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】王開坤, 王雷剛, 孟健, 尹飛, 劉孝娟, 呂恒林, 仇世偉 申請(qǐng)人:揚(yáng)州宏福鋁業(yè)有限公司