一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法.pdf

本发明涉及一种电子芯片封装壳体的制备方法。一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)壳体底板的制备；2)梯度框架的制备；3)梯度框架与壳体底板的焊接；4)后处理，得产品。本发明利用脉冲电流烧结技术与线切割相结合制备梯度框架，将梯度框架与60SiC－35Al－5Si复合材料利用脉冲电流烧结设备焊接在一起形成壳体，利用机械加工进行后处理，获得所需形状的电子封装壳体。该电子封装壳体与可伐合金可进行激光焊接；本发明获得的电子封装壳体整体热导率大于180w/mk，同时解决焊接问题，制备成本低。

1.  一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、壳体底板的制备：将平均粒径6微米的铝粉、平均粒径30微米的硅粉和平均粒径为70μm∶15μm＝2∶1的碳化硅粉按照体积比35∶5∶60的比例混合，放入石墨模具中，利用脉冲电流烧结技术进行烧结；烧结温度530℃-550℃，轴向压力40MPa-50MPa，平均升温速率50℃/min，保温5分钟，获得60SiC-35Al-5Si复合材料的壳体底板；
2)梯度框架的制备：按下列梯度层选取各梯度层原料：①底层组分按体积百分比为60SiC-35Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；②第二层组分按体积百分比为55SiC-40Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；③第三层组分按体积百分比为50SiC-45Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；④第四层组分按体积百分比为40SiC-52.5Al-7.5Si，SiC粒径大小及配比为30μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑤第五层组分按体积百分比为30SiC-61.25Al-8.75Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑥第六层组分按体积百分比为20SiC-70Al-10Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑦第七层组分按体积百分比为10SiC-78.75Al-11.25Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑧顶层组分为6063铝合金，烧结后的厚度为1.3mm；
其中铝粉平均粒径为6μm，Si粉平均粒径为28-32μm；每层粉末采用三维混料机混合6～8小时，依据层厚计算出每层应放的重量，混合好的粉料从顶层至底层依次放入石墨模具中；随后进行脉冲电流烧结，烧结温度550℃、轴向压力50MPa、平均升温速率50℃/min、保温5分钟；利用线切割将烧好后的梯度块体中心切掉，形成中部为矩形孔的梯度框架；
3)、梯度框架与壳体底板的焊接：将梯度框架、铝块与壳体底板放在石墨模具中，壳体底板位于梯度框架的底层下，铝块放入梯度框架的矩形孔中，壳体底板与梯度框架和铝块接触表面铺0.5mm厚体积百分比为60SiC-35Al-5Si的混合粉，采用脉冲电流烧结工艺进行焊接，温度为530℃-540℃，压力为40MPa-50MPa，平均升温速率50℃/min；
4)、后处理：用铣床将铝块体铣去，用电火花线切割加工壳体底板上的方孔及四个圆孔；四个圆孔的螺纹由精密机械加工完成；对进行化学镀镍处理，得产品。

一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子芯片封装壳体的制备方法。
背景技术
在工程应用中为了对电子芯片进行保护与固定，通常需要将芯片进行封装处理。对封装材料的基本要求是良好的导热性，以有效散发芯片工作中产生的热量；与芯片接近的热膨胀系数，以缓解多次热循环造成的热应力，保证芯片性能稳定及耐久性。对于航空航天领域，要求封装材料密度尽量小。经过对材料体系的大量筛选，目前普遍认为SiC/Al复合材料是符合上述要求的最适合的优选体系。
然而，高SiC含量的SiC/Al复合材料由于硬度高，无法用普通机械加工方法获得封装壳体。国外主要采用压力渗透的方法，即首先将SiC颗粒与有机黏结剂混合，预成型并烧结成多孔材料，再通过无压或压力渗透的方法将铝液渗入多孔体中。但目前国内对该工艺还无法完全掌握，经常出现微裂纹缺陷，或排粘不彻底而导致的热导率较低。国内也有研究者尝试用热压烧结或热挤压方法制备该体系的复合材料，但都存在一定问题。因为复合材料的热膨胀系数随SiC含量增加而降低，只有当SiC含量大于60vol％(体积百分比)，热膨胀系数才能达到与陶瓷芯片相匹配的要求。但热压烧结结果表明，获得致密烧结体的SiC含量极限是50-55vol％，因此热压烧结样品的热膨胀系数无法达标。热挤压虽然可以获得性能良好的块体材料，但要得到成型零部件也很困难。
另外，所制备的壳体在装入芯片后，需要与可伐合金盖板封焊起来。然而一般情况下，60vol％SiC/Al复合材料与可伐合金是无法焊接的，人们想到中间用纯铝过渡层解决焊接问题，但纯铝与60vol％SiC/Al热膨胀系数相差很大，制备过程中就会产生热应力裂纹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备成本低的具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法，该方法得到的电子封装壳体整体热导率高且具有激光可焊性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、壳体底板的制备：将平均粒径6微米的铝粉、平均粒径30微米的硅粉和平均粒径为70μm∶15μm＝2∶1的碳化硅粉按照体积比35∶5∶60的比例混合，放入石墨模具中，利用脉冲电流烧结技术进行烧结；烧结温度530℃-550℃，轴向压力40MPa-50MPa，平均升温速率50℃/min，保温5分钟，获得60SiC-35Al-5Si复合材料的壳体底板；
2)梯度框架的制备：按下列梯度层选取各梯度层原料：①底层组分按体积百分比为60SiC-35Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；②第二层组分按体积百分比为55SiC-40Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；③第三层组分按体积百分比为50SiC-45Al-5Si，SiC粒径大小及配比为70μm∶15μm＝2∶1，烧结后的厚度为0.7mm；④第四层组分按体积百分比为40SiC-52.5Al-7.5Si，SiC粒径大小及配比为30μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑤第五层组分按体积百分比为30SiC-61.25Al-8.75Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑥第六层组分按体积百分比为20SiC-70Al-10Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑦第七层组分按体积百分比为10SiC-78.75Al-11.25Si，SiC粒径大小及配比为15μm，烧结后的厚度为0.7mm；⑧顶层组分为6063铝合金，烧结后的厚度为1.3mm；
其中铝粉平均粒径为6μm，Si粉平均粒径为28-32μm；每层粉末采用三维混料机混合6～8小时，依据层厚计算出每层应放的重量，混合好的粉料从顶层至底层依次放入石墨模具中；随后进行脉冲电流烧结，烧结温度550℃、轴向压力50MPa、平均升温速率50℃/min、保温5分钟；利用线切割将烧好后的梯度块体中心切掉，形成中部为矩形孔的梯度框架；
3)、梯度框架与壳体底板的焊接：将梯度框架、铝块与壳体底板放在石墨模具中，壳体底板位于梯度框架的底层下，铝块放入梯度框架的矩形孔中，壳体底板与梯度框架和铝块接触表面铺0.5mm厚体积百分比为60SiC-35Al-5Si的混合粉，采用脉冲电流烧结工艺进行焊接，温度为530℃-540℃，压力为40MPa-50MPa，平均升温速率50℃/min；
4)、后处理：用铣床将铝块体铣去，用电火花线切割加工壳体底板上的方孔及四个圆孔；四个圆孔的螺纹由精密机械加工完成；进行化学镀镍处理，得产品。
本发明各步工艺原理：
1、脉冲电流烧结：脉冲电流烧结与热压烧结不同之处在于：在一定条件下，脉冲电流烧结可以诱发颗粒间放电。对于Al/SiC复合材料体系，由于Al颗粒间放电熔融，半固相或液相铝填充在SiC颗粒间隙中，容易使其致密化，因此SiC体积分数可以突破热压极限(50-55％)，在60-65％SiC含量的条件下，仍可实现致密化烧结。
2、梯度框架：Al与60SiC-35Al-5Si直接复合，制备过程中将会产生极大热应力，计算结果如图5所示，导致Al与60SiC-35Al-5Si之间产生裂纹(如图6所示)，因此本发明制备了梯度材料，以缓解制备和使用过程中的热应力。梯度材料热应力的计算结果图7所示。微观结构如图8所示，各层间过渡平缓，无缺陷。梯度框架总体热导率高，除6063铝合金层外，其余各层热导率都大于180w/mk(图9所示)。
3、焊接填料：虽然梯度框架的底层与壳体底板材料成分相同，但由于SiC含量过高(60％)，无法直接扩散焊，两者之间加入一层相同成分的粉料，既可以保证焊接时利用液相铝进行连接，又可以保证焊缝性能与上下基体相同。利用脉冲电流进行焊接的优势在于：通电时，焊料处接触电阻最大，温度最高，因此焊接时，基体温度比较低，焊缝处温度比较高，此方法获得的焊缝致密，无缺陷，如图10所示。
4、铝块体的填入：由于梯度框架与壳体底板焊接时需要加一定的压力，而梯度框架壁厚仅1-1.5mm，直接将压力施加在梯度框架上将导致梯度框架变形，因此放入同尺寸铝块，与梯度框架同时承受轴向压力，阻止其变形。而铝块在后处理过程中可以用机械加工方法切除。
本发明的有益效果是：采用梯度框架，既缓解6063铝合金与60SiC-35Al-5Si复合材料之间的制备热应力，整体热导率高；又保证铝合金与可伐合金盖的激光点焊(具有激光可焊性)；同时采用焊接的方案将梯度框架与壳体底板连接，大部分加工由机械加工和线切割来完成，加工效率高，加工成本低(制备成本低)。
附图说明
图1是梯度框架的结构示意图，它是由所制备的梯度块体，经线切割将中间挖去矩形方孔获得。
图2是梯度框架与铝块、壳体底板焊接在一起的块体示意图。
图3是封装壳体的结构示意图，铣床将铝块铣掉，再利用线切割获得所需方孔与圆孔(定位孔)，得到封装壳体。
图4是封装壳体与可伐合金板激光焊接的照片，焊缝均匀致密，连接紧密。
图5是双层材料残余热应力分布图，表明双层材料之间热应力很大，绝对值超过800MPa。
图6是双层材料制备后因热应力而开裂的实物照片
图7是多层梯度材料残余热应力图，表明梯度材料热应力得到缓解。
图8是多层梯度材料样品各层联接的金相照片(梯度材料样品的微观结构)，表明梯度结构过度均匀，无微观缺陷。
图9是各梯度层的热导率实验结果图，除6063铝合金外，所有梯度层的热导率都大于180w/mk。
图10是焊接层金相组织图(梯度框架与底板焊缝的微观结构)，表明焊缝均匀致密，无缺陷。
图1-4中：1-梯度框架，2-矩形孔，3-铝块，4-壳体底板，5-方孔，6-圆孔(定位孔)，7-可伐合金板。图10中：8为第一接触面：框架与焊料接触面；9为第二接触面：焊料与底板接触面；第一接触面与第二接触面之间为焊缝。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
一种具有激光可焊性的高导热电子封装壳体的制备方法，它包括如下步骤：
1)、壳体底板的制备：将平均粒径6微米的铝粉、平均粒径30微米的硅粉和平均粒径为70μm∶15μm＝2∶1的碳化硅粉按照体积比35∶5∶60的比例混合，放入石墨模具中，利用脉冲电流烧结技术进行烧结；烧结温度550℃，轴向压力50MPa，平均升温速率50℃/min，保温5分钟，获得2.3mm厚的60SiC-35Al-5Si复合材料的壳体底板；
2)梯度框架的制备：各梯度层组分、厚度及SiC颗粒粒径按照表1配制；铝粉平均粒径为6μm，Si粉平均粒径为30μm；每层粉末采用三维混料机混合8小时，依据层厚计算出每层应放的重量，混合好的粉料从顶层至底层依次放入石墨模具中；随后进行脉冲电流烧结，烧结温度550℃、轴向压力50MPa、平均升温速率50℃/min、保温5分钟；利用线切割将烧好后的梯度块体中心切掉，形成中部为矩形孔的梯度框架(结构如图1所示)；
表1电子封装壳体梯度组分配制：