专利名称：一种铝硅电子封装材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电子封装材料，尤其是涉及一种铝硅电子封装材料及其制备方法。背景技术：
背景技术：
中，硅芯片的热膨胀系数只有4X10_6/K，随着芯片集成度的不断提高，要求 电子封装材料具有高热导率和低的热膨胀系数，传统的封装材料难以满足这些要求。第一 代封装材料金属铝和铜的热膨胀系数高达17Χ10—7Κ以上，可伐合金和铁镍合金的热导率 只有17W/mK ；第二代封装材料钨铜的密度太大，而且热膨胀系数只有7Χ10_6/Κ。铝硅电子 封装材料具有热膨胀系数小、热导率高、密度小、易加工等特点，因此在尺寸精度要求高的 电子封装领域具有较好的应用前景。国内外目前采用喷射沉积、粉末冶金、挤压铸造等方法 制备铝硅电子封装材料，这些方法存在明显不足一是硅的体积分数一般小于70%，因此热 膨胀系数较高，与芯片不够匹配；二是制备过程均采用了高压，因此难以近净成形，零件需 要后续大量机加工；三是后续致密化工艺复杂、成本高。另外，现有铝硅电子封装材料热膨 胀系数可调范围小、难以近净成形以及成本高。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种铝硅电子封装材料及其制备方 法，其体积分数在40% 90%之间任意调节，热膨胀系数可在4X IO-6A 13 X 10_6/K之间控 制，制备成本低，工艺方便，能实现复杂形状和大尺寸的近净成形，综合性能好，可靠性高。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为
一种铝硅电子封装材料，其特征在于所述封装材料按体积百分比由硅粗粉0 50%、 硅细粉10 50%、硅微粉10 50%、金属铝元素8 57%、金属硅元素1. 9 2. 7%和金属 镁元素0. 1 0. 3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120 200 μ m、30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。上述封装材料按体积百分比由硅粗粉45 48%，硅细粉20 25%，硅微粉10 15%，金属铝元素10 22%，金属硅元素1. 9 2. 7%和金属镁元素0. 1 0. 3%组成；所述 硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120 200 μ m、30 50 μ m和6 12 μ m。一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤
a、按配比要求准确称量硅粗粉、硅细粉和硅微粉，装入混料机中混合6 8小时；
b、再加入添加剂在低压注射成型法成型，经排蜡和烧结后制出多孔硅预制型，烧结温 度不超过1100°C ；
C、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在真空和气体压力下使液态合金浸 渗入多孔硅预制型，凝固后打开模具形成近净成形的铝硅电子封装材料，其硅的体积分数 在40% 90%之间任意调节，热膨胀系数可在4X 10—7K 13X 10—7K之间控制。上述添加剂占原料的体积百分比为石蜡9 53%，油酸1 5%。上述排蜡和烧结工艺为排蜡升温速率2°C /min 3°C /min,排蜡温度100°C 120°C，保温时间MO min，烧结升温速率3°C /min 5°C /min，在烧结温度1000 1100°C 烧结2 4小时，冷却速率为10°C /min 20°C /min ；与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下
本发明突出的特点是将硅的体积分数在40% 90%之间任意调节，因此热膨胀系数可 在4Χ10_6/Κ 13X10_6/K之间控制，热导率、弹性模量等性能也可根据需要进行调控；金 属铝、金属硅和金属镁元素可以进行合理搭配，改善了材料的力学性能。采用模具一次性成 型，因此实现了零件的近净成形。由于抽真空和加压浸渗一次性完成，材料致密性高，因此 不需要复杂的后续致密化加工。由于所用压力不超过3MPa，小于现有各种方法的十分之一， 因此可以采用多种模具，实现复杂形状零件的近净成形。由于这种铝硅电子封装材料的热 膨胀系数等性能可在大范围调节，而且零件可以实现近净成形，因此可以广泛用于微电子 封装、功率电子封装、微波封装、光电子封装等领域，具有很好的社会和经济效益。具体实施例方式
本发明为一种铝硅电子封装材料及其制备方法，按体积百分比由硅粗粉0 50%、硅细 粉10 50%、硅微粉10 50%、金属铝元素8 57%、金属硅元素1. 9 2. 7%和金属镁元素 0. 1 0. 3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120 200 μ m、30 50 μ m和 6 12 μ m0本发明较佳的一种技术方案为按体积百分比由硅粗粉45 48%，硅细粉20 25%，硅微粉10 15%，金属铝元素10 22%，金属硅元素1. 9 2. 7%和金属镁元素0. 1 0. 3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120 200 μ m、30 50 μ m和6 12 μ m。
本发明的制备方法包括以下步骤
将硅粗粉、硅细粉和硅微粉装入混料机中混合6 8小时；再加入添加剂在3MPa低压 注射成型压力下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡9 53%，油酸 1 5% ；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为排蜡升温速率2°C /min ；TC / min,排蜡温度100°C 120°C，保温时间MO min，烧结升温速率3°C /min 5°C /min，在 烧结温度1000 1100°C烧结2 4小时，冷却速率为10°C /min 20°C /min ；将上述制成 的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700°C，抽真空到0. 07MPa，在2. 0 3. OMPa 气体压力下将800°C的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅 电子封装材料，其硅的体积分数在40% 90%之间任意调节，热膨胀系数可在4X 10_6/K 13Χ10—7Κ之间控制。硅粗粉、硅细粉与硅微粉都是高纯硅。金属铝、金属硅和金属镁都是工业级金属
Iio对原材料的化学成分要求如下
材料名称指标
硅粗粉Si ^ 99%
硅细粉Si彡99%
硅微粉Si ^ 99%
金属铝Al彡99. 7%
金属硅Si彡99. 9%
金属镁Mg彡99. 9%
4实施例1
将粒径为30 50 μ m的硅细粉和6 12 μ m的硅微粉按体积比25%和25%装入混料机 中混合6 8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加 添加剂占原料的质量比为石蜡46%，油酸4% ；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工 艺为排蜡升温速率2°C /min 3°C /min,排蜡温度100°C 120°C，保温时间MO min，烧 结升温速率3°C /min 5°C /min，在烧结温度1000 1100°C烧结2 4小时，冷却速率为 IO0C /min 20°C /min ；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700°C， 抽真空到0. 07MPa，在2. OMI3a气体压力下将800°C的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打 开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料(电子封装材料按体积比由硅细粉25%、硅微粉 25%、金属铝元素47%、金属硅元素2. 7%和金属镁元素0. 3%组成)，其硅的体积分数为50%， 室温到150°C的热膨胀系数为11X10_6/K。实施例2:
将粒径为30 50 μ m的硅细粉和6 12 μ m的硅微粉按体积比40%和20%装入混料机 中混合6 8小时；再加入添加剂在3MPa低压注射成型压力下成型，低压注射成型时所加 添加剂占原料的质量比为石蜡37%，油酸3% ；随后对成型体进行排蜡和烧结，排蜡和烧结工 艺为排蜡升温速率2V /min 3°C /min,排蜡温度100°C 120°C，保温时间MO min，烧 结升温速率3°C /min 5°C /min，在烧结温度1000 1100°C烧结2 4小时，冷却速率为 IO0C /min 20°C /min ；将上述制成的硅预制型放入气压浸渗炉中的模具中预热到700°C， 抽真空到0. 07MPa，在2. 5ΜΙ^气体压力下将800°C的铝合金液浸渗入硅预制型中，凝固后打 开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料(电子封装材料按体积比由硅细粉40%、硅微粉 20%、金属铝元素37. 5%、金属硅元素2. 3%和金属镁元素0.洲组成)，其硅的体积分数为60%， 室温到150°C的热膨胀系数为9X10_6/K。实施例3:
将粒径为120 200 μ m的硅粗粉、30 50 μ m的硅细粉和6 12 μ m的硅微粉按体积 比45%、23%和1 装入混料机中混合6 8小时；再加入添加剂在3ΜΙ^低压注射成型压力 下成型，低压注射成型时所加添加剂占原料的质量比为石蜡18%，油酸洲；随后对成型体进 行排蜡和烧结，排蜡和烧结工艺为排蜡升温速率2V Mn 3°C /min,排蜡温度100°C 120°C，保温时间MO min，烧结升温速率3°C /min 5°C /min，在烧结温度1000 1100°C 烧结2 4小时，冷却速率为10°C /min 20°C /min ；将上述制成的硅预制型放入气压浸 渗炉中的模具中预热到700°C，抽真空到0. 07MPa，在3MPa气体压力下将800°C的铝合金液 浸渗入硅预制型中，凝固后打开模具，形成近净成形的铝硅电子封装材料(电子封装材料按 体积比由硅粗粉45%、硅细粉23%、硅微粉12%、金属铝元素18%、金属硅元素1. 9%和金属镁 元素0. 1%组成)，其硅的体积分数为80%，室温到150°C的热膨胀系数为5X10_6/K。
权利要求
1.一种铝硅电子封装材料，其特征在于所述封装材料按体积百分比由硅粗粉O 50%、硅细粉10 50%、硅微粉10 50%、金属铝元素8 57%、金属硅元素1. 9 2. 7%和 金属镁元素0. 1 0. 3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120 200 μ m、 30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。
2.根据权利要求1所述的一种铝硅电子封装材料，其特征在于所述封装材料按体积 百分比由硅粗粉45 48%，硅细粉20 25%，硅微粉10 15%，金属铝元素10 22%，金属 硅元素1. 9 2. 7%和金属镁元素0. 1 0. 3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分 别为 120 200 μ m、30 50 μ m 禾口 6 12 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤a、按配比要求准确称量硅粗粉、硅细粉和硅微粉，装入混料机中混合6 8小时；b、再加入添加剂在低压注射成型法成型，经排蜡和烧结后制出多孔硅预制型，烧结温 度不超过1100°C ；C、按配比将金属铝、金属硅和金属镁熔化成合金，在真空和气体压力下使液态合金浸 渗入多孔硅预制型，凝固后打开模具形成近净成形的铝硅电子封装材料，其硅的体积分数 在40% 90%之间任意调节，热膨胀系数在4X 10—7K 13X 10—7K之间控制。
4.根据权利要求3所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于所述添加 剂占原料的体积百分比为石蜡9 53%，油酸1 5%。
5.根据权利要求3所述的一种铝硅电子封装材料的制备方法，其特征在于排蜡和烧 结工艺为排蜡升温速率2°C/min 3°C/min，排蜡温度100°C 120°C，保温时间240 min, 烧结升温速率3°C /min 5°C /min，在烧结温度1000 1100°C烧结2 4小时，冷却速率 为 10°C /min 20°C /min。
全文摘要
本发明涉及一种电子封装材料，尤其是涉及一种铝硅电子封装材料及其制备方法。本发明体积分数在40%～90%之间任意调节，热膨胀系数可在4×10-6/K～13×10-6/K之间控制，制备成本低，工艺方便，能实现复杂形状和大尺寸的近净成形，综合性能好，可靠性高。本发明采用的技术方案为所述封装材料按体积百分比由硅粗粉0～50%、硅细粉10～50%、硅微粉10～50%、金属铝元素8～57%、金属硅元素1.9～2.7%和金属镁元素0.1～0.3%组成；所述硅粗粉、硅细粉和硅微粉的粒径分别为120～200μm、30～50μm和6～12μm。
文档编号C22C1/05GK102140600SQ20111006227
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者叶建宁, 马俊立 申请人:西安明科微电子材料有限公司