一種電子封裝材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種封裝材料,具體涉及鋁合金基體,氧化石墨烯和SiC顆粒為增強(qiáng)體 的電子封裝材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子封裝材料是指集成電路的密封體,它不僅對(duì)芯片具有機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)作 用,使其避免大氣中的水汽、雜質(zhì)及各種化學(xué)氣氛的污染和侵蝕,從而使集成電路芯片能穩(wěn) 定地發(fā)揮正常電氣功能,封裝材料對(duì)電子器件和電路的熱性能乃至可靠性起著舉足輕重的 作用。現(xiàn)在,電了封裝材料行業(yè)已成為半導(dǎo)體行業(yè)中的一個(gè)重要分支,它已經(jīng)廣泛涉及到化 學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械和工藝設(shè)備等多種學(xué)科。
[0003] 作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)物,SiC顆粒具有高模量、高硬度、低熱膨脹、高熱導(dǎo) 率、來(lái)源廣泛和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。A1合金具有低密度、高熱導(dǎo)率(170-220W/m · K)價(jià)格低廉 以及熱加工容易等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上因素,并考慮到電子封裝材料必須具備很低的且與基板 匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE),高的熱導(dǎo)率,高剛度,低密度,及低成本等特性,將二者復(fù)合而成 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料后,材料具有了A1和SiC二者的優(yōu)點(diǎn),幾乎代表了理想封裝材料的所 有性能要求,這使得SiC/Al復(fù)合材料成為電子封裝用金屬基復(fù)合材料中最倍受矚目,潛在 應(yīng)用最廣的復(fù)合材料。
[0004] 石墨烯是世界上最堅(jiān)固的材料(楊氏模量1.7TPa),理論比表面積高達(dá)2630m2/g, 具有良好的導(dǎo)熱性(5000W/(m.k))和室溫下高速的電子迀移率(200000cm 2/(V.s))。同時(shí), 其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有完美的量子霍爾效應(yīng)、獨(dú)特的量子隧道效應(yīng)、雙極電場(chǎng)效應(yīng)等特殊 的性質(zhì)。由于石墨烯優(yōu)異的性能,極大的比表面積和較低的生產(chǎn)成本(相對(duì)于碳納米管);石 墨烯各碳原子之間的連接非常柔韌,當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí),碳原子面就會(huì)彎曲變形來(lái)適應(yīng) 外力,而不必使碳原子重新排列,這樣就保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?;谑┻@些優(yōu)良的性能, 如果將其添加在金屬鋁或銅中制成電子封裝材料,將大大提高材料的電導(dǎo)率;石墨烯密度 小,得到的復(fù)合材料的密度比金屬基體低;熱膨脹系數(shù)??;同時(shí)解決電子封裝復(fù)合材料中的 界面潤(rùn)濕問(wèn)題,有利于降低界面熱阻;易于加工。因此,石墨烯金屬基復(fù)合材料對(duì)于電子封 裝領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0005] 現(xiàn)有的s i C/A1復(fù)合材料電子封裝材料主要采用滲浸法制造,其在導(dǎo)熱性能,制造 工藝和焊接性能上均存問(wèn)題,特別是難以采用我國(guó)現(xiàn)有封裝焊接進(jìn)行焊接,限制了該類材 料在我國(guó)有源相控陣?yán)走_(dá)上的應(yīng)用,需要一種新型的封裝材料彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料的不足。石墨 烯具備極佳的導(dǎo)熱性,由石墨烯和Al/SiC復(fù)合形成的電子封裝材料,不僅保持各自的性能 優(yōu)勢(shì),大幅度提高了材料的導(dǎo)熱性能,而且在制造工藝和焊接性能有了明顯改善,將有望成 為新一代電子封裝材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明提供一種線膨脹系數(shù)可控高導(dǎo)熱可焊電子封裝材料,是通過(guò)將一定比例氧 化石墨烯、SiC和鋁合金粉末的進(jìn)行混合,再經(jīng)過(guò)熱物理燒結(jié)制備而成。采用本發(fā)明可制備 出密度低于3. lg/cm3,導(dǎo)熱率大于180W/(m · K)的輕質(zhì)電子封裝材料,從而大幅度提高我國(guó) 有源相控陣?yán)走_(dá)等軍用電子設(shè)備的綜合性能。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008] 一種電子封裝材料,由基體和增強(qiáng)體組成,所述基體包括鋁和鋁合金粉末,所述增 強(qiáng)體包括氧化石墨烯和SiC顆粒,按照質(zhì)量百分比計(jì),所述氧化石墨烯為0.5 %~3%,所述 SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末,所述鋁合金粉末為Al-Si合金粉末。
[0009] 一種電子封裝材料的第一優(yōu)選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為30%~50%。 [0010] 一種電子封裝材料的第二優(yōu)選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為35%~45%。 [0011] 一種電子封裝材料的第三優(yōu)選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為40%。
[0012] 一種電子封裝材料的第四優(yōu)選方案,氧化石墨烯為1%~2%,所述SiC顆粒為40% ~60% 〇
[0013] 一種電子封裝材料的第五優(yōu)選方案,氧化石墨烯為1.5%,所述SiC顆粒為50%。
[0014] -種電子封裝材料的制備方法,包括如下步驟:
[0015] (1)制備混合粉末;
[0016] (2)制備包套;
[0017] (3)物理燒結(jié)。
[0018] -種電子封裝材料的制備方法的第一優(yōu)選方案,步驟(1)依次采用濕法混合和干 法混合。
[0019] -種電子封裝材料的制備方法的第二優(yōu)選方案,濕法混合時(shí)間為4~14h,攪拌速 度為10~30轉(zhuǎn)/分鐘;所述干法混合時(shí)間為4~14h,攪拌速度為10~30轉(zhuǎn)/分鐘。
[0020] 一種電子封裝材料的制備方法的第三優(yōu)選方案,濕法混合時(shí)間為10h,攪拌速度為 20轉(zhuǎn)/分鐘;所述干法混合時(shí)間為8h,攪拌速度為20轉(zhuǎn)/分鐘。
[0021 ] -種電子封裝材料的制備方法的第四優(yōu)選方案,步驟(2)的材料為L(zhǎng)F21鋁合金。 [0022] -種電子封裝材料的制備方法的第五優(yōu)選方案,步驟(3)中物理燒結(jié)的壓力為 90MPa~300MPa,溫度為400°C~500°C,時(shí)間為30分鐘~2小時(shí)。
[0023] 一種電子封裝材料的制備方法的第六優(yōu)選方案,壓力為200MPa,溫度為470°C,時(shí) 間為1.5小時(shí)。
[0024] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)異效果如下:
[0025] 1、材料設(shè)計(jì)性強(qiáng),可根據(jù)需要制備系列產(chǎn)品。本發(fā)明采用粉末冶金方式,可實(shí)現(xiàn)材 料各項(xiàng)物理性能,特別是線膨脹系數(shù)可根據(jù)材料組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0026] 2、焊接性能好。本發(fā)明制備的電子封裝材料,通過(guò)調(diào)節(jié)SiC顆粒尺寸,錯(cuò)合金粉末 成分,以及在材料加入石墨烯材料,使得采用本發(fā)明所述制備方法獲得的電子封裝材料不 僅具備SiC/Al基復(fù)合電子封裝材料導(dǎo)熱系數(shù)高和成本低廉的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)改變了以往SiC/Al 基復(fù)合電子封裝材料機(jī)加工困難、難以焊接的缺點(diǎn),使其特別適合目前我國(guó)電子工業(yè)工藝 現(xiàn)狀,對(duì)改善我國(guó)有源相控陣?yán)走_(dá)等軍用電子器件的可靠性及集成化程度有重要意義,達(dá) 到國(guó)際領(lǐng)先水平
[0027] 3、生產(chǎn)成本低,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備,同時(shí)操作工藝簡(jiǎn)便,利于生產(chǎn)控制。因此,本 發(fā)明采用低成本的碳化硅顆粒鋁基電子封裝復(fù)合材料用于航空航天微波等電子器件及模 塊的封裝殼體或底座,不僅會(huì)產(chǎn)生顯著的軍事效益,還將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的 實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的 范圍。
[0029] 按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì),氧化石墨烯為0.5%~3%,SiC顆粒為35%~65%,余量為Al-Si鋁 合金粉末。制備步驟如下:
[0030] (1)制備氧化石墨烯的乙醇溶液:將1體積的氧化石墨烯和10體積的乙醇混合并用 超聲分散;
[0031] (2)將制備的氧化石墨烯乙醇溶液,SiC顆粒,Al-Si鋁合金粉末加入V型混料設(shè)備 中進(jìn)行濕法混合,混合10小時(shí),轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分鐘;
[0032] (3)將上述獲得的混合粉末進(jìn)行烘干,烘干后倒入V型混料設(shè)備中進(jìn)行干法混合, 混合8小時(shí),轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分鐘。
[0033] (4)采用2mm厚鋁合金制備Φ230πιπιΧ 200mm包套,總裝粉重量控制在14公斤~15公 斤。
[0034] (5)將混合好的粉末裝入包套中,要求粉末振實(shí)密度達(dá)到大于1.7g/cm3。
[0035] (6)將裝好包套的粉末進(jìn)行物理燒結(jié),壓力為200MPa,溫度470°C,時(shí)間1.5小時(shí)。
[0036] 不同成分電子封裝材料主要性能見(jiàn)表1,表中的百分含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0037] 表1不同成分電子封裝材料主要性能對(duì)比
[0038]
[0039] 表1的數(shù)據(jù)說(shuō)明本發(fā)明方法制備的電子封裝材料低密度、高散熱系數(shù),線膨脹系數(shù) 可控和易于焊接。
[0040] 以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解,參照上述實(shí)施例可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換,這些 未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電子封裝材料,由基體和增強(qiáng)體組成,所述基體包括鋁和鋁合金粉末,所述增強(qiáng) 體包括氧化石墨稀和SiC顆粒,其特征在于,按照質(zhì)量百分比計(jì),所述氧化石墨稀為0.5 %~ 3%,所述SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末,所述鋁合金粉末為Al-Si合金粉末。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的 含量為30%~50%。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的 含量為35%~45%。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的 含量為40 %。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述氧化石墨烯為1 %~ 2%,所述SiC顆粒為40%~60%。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述氧化石墨烯為1.5%,所 述3丨(:顆粒為50%。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電子封裝材料,由基體和增強(qiáng)體組成,基體包括鋁合金,增強(qiáng)體包括氧化石墨烯和SiC顆粒,按照質(zhì)量百分比計(jì),氧化石墨烯為0.5%~3%,SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末;鋁合金粉末為Al-Si合金粉末。采用本發(fā)明可制備出密度低于3.1g/cm3,導(dǎo)熱率大于180W/(m·K)的輕質(zhì)電子封裝材料,從而大幅度提高軍用電子設(shè)備的綜合性能,適用于便攜式器件、航空航天和其他對(duì)重量敏感領(lǐng)域的軍用功率混合電路,微波管的載體、多芯片組件的熱沉和超大功率模塊封裝材料的生產(chǎn)制備。
【IPC分類】C22C29/06, C22C32/00, C22C30/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105624510
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510971976
【發(fā)明人】王旭東, 李炯利, 戴圣龍, 張曉艷, 楊程
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日