封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備裝置及方法，其包括高溫上模，用于保持整個(gè)模具內(nèi)部溫度平衡和對(duì)高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱源；外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入；感應(yīng)線圈，作為可移動(dòng)式感應(yīng)加熱元件，為整個(gè)制備過程提供熱量；梯度工件，用于制備梯度材料；冷卻水循環(huán)裝置，當(dāng)制備過程中的溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，通過冷卻水循環(huán)裝置將多余的熱量導(dǎo)出；低溫下模，與高溫上模的溫度形成對(duì)比，產(chǎn)生溫度梯度；熱電偶，用于測(cè)試溫度控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度。本發(fā)明制備的合金致密度更高，組織更加細(xì)化，合金具有優(yōu)異的綜合性能。
【專利說明】
封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料 高通量制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子封裝主要發(fā)揮密封、散熱和屏蔽等作用，對(duì)器件的穩(wěn)定性具有重要影響，同時(shí) 還為精細(xì)電子線路提供機(jī)械支撐以及作為導(dǎo)電連接介質(zhì)?，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)和導(dǎo)彈的電子封裝系 統(tǒng)，芯片裸集成于封裝盒底面，要求封裝殼膨脹系數(shù)須與GaAs或Si芯片相匹配并有好的散 熱性能；另一方面，封裝殼側(cè)壁和上蓋起支撐和保護(hù)作用，須具有良好的機(jī)械性能、氣密性 和可焊接性能。高硅鋁合金因密度低、膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好且有一定的強(qiáng)度、好的可加 工性，在電子封裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著合金中硅含量升高，合金的熱膨脹系數(shù)逐 漸降低，但是其機(jī)械和焊接性能變差，嚴(yán)重影響了高硅鋁合金在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。為 此，本發(fā)明提出制備高硅鋁合金梯度材料，來改善電子封裝材料的低膨脹性與焊接、精加工 之間的矛盾，其制備的梯度高硅合金，高硅端具有低的膨脹系數(shù)，滿足電路和芯片集成要 求;低硅端具有優(yōu)良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒側(cè)壁鉆孔、焊接、密封的需求。
[0003] 作為先進(jìn)的金屬熱成形方法，粉末燒結(jié)技術(shù)具有易于操作、靈活性高及適于制備 大體積的梯度材料的特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用比較廣泛的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量 制備裝置及方法，其制備的合金致密度更高，組織更加細(xì)化，合金具有優(yōu)異的綜合性能。
[0005] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種梯度高硅鋁合金高通量 制備裝置，其包括： 高溫上模，用于保持整個(gè)模具內(nèi)部溫度平衡和對(duì)高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應(yīng)線圈，作為可移動(dòng)式感應(yīng)加熱元件，為整個(gè)制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環(huán)裝置，當(dāng)制備過程中的溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，通過冷卻水循環(huán)裝置將多余 的熱量導(dǎo)出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對(duì)比，產(chǎn)生溫度梯度； 熱電偶，用于測(cè)試溫度控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度。
[0006] 優(yōu)選地，所述梯度工件位于高溫上模和低溫下模之間，外模模具位于高溫上模的 側(cè)面、梯度工件的側(cè)面、低溫下模的側(cè)面，熱電偶位于外模模具上，感應(yīng)線圈纏繞在外模模 具上和梯度工件上，冷卻水循環(huán)裝置位于外模模具上。
[0007] 本發(fā)明還提供一種封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法，其包括以下 步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分按質(zhì)量百分比計(jì)為Al_50wt · %Si、Al-20wt · %Si、A1-12 · 6wt · %Si ; 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分合金 粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金粉末 體積百分比5:1;首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高硅含量的合金粉;霧化 粉末加入后施加10KN的壓力； 步驟三，利用感應(yīng)線圈對(duì)冷壓后的粉末加熱，根據(jù)加入合金粉末的成分調(diào)整加熱溫度， Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為570°C，Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為 520°C，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為450°C，通過不同位置處熱電偶測(cè)試溫度 控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度，達(dá)到設(shè)定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN，燒 結(jié)； 步驟四，在溫度梯度下燒結(jié)30min，然后控制整個(gè)樣品低溫30min-lh擴(kuò)散，冷卻，泄壓。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟三中的溫度梯度的控制主要是通過樣品的傳熱及熱流的導(dǎo)出實(shí) 現(xiàn)，利用熱電偶檢測(cè)不同位置處溫度，通過控制感應(yīng)線圈的加熱時(shí)間來形成溫度梯度，梯度 樣件下端熱量的導(dǎo)出主要靠冷卻水循環(huán)裝置。
[0009] 優(yōu)選地，所述封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法的關(guān)鍵因素有以下 四個(gè)因素:粉末的加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度的形成及燒結(jié)溫度與時(shí)間控制。
[0010] 優(yōu)選地，所述封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法適合具有不同燒結(jié) 溫度的梯度合金的制備。
[0011] 本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：一，本發(fā)明通過對(duì)傳統(tǒng)粉末燒結(jié)模具加熱裝置改 進(jìn)，增加了可移動(dòng)感應(yīng)加熱裝置和模具底部熱流導(dǎo)出裝置，能夠更快燒結(jié)粉末，通過調(diào)整溫 度梯度，制備的合金致密度更高，組織更加細(xì)化，合金具有優(yōu)異的綜合性能。二，本發(fā)明采用 移動(dòng)感應(yīng)式加熱，通過在模具外部增加可上下移動(dòng)的感應(yīng)線圈，利用熱電偶測(cè)試工件不同 位置處溫度的高低，從而控制感應(yīng)線圈在梯度工件不同位置處停留時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)梯 度工件溫度的梯度分布，設(shè)備實(shí)用性廣，能夠制備多種梯度合金材料。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明梯度高硅鋁合金高通量制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明梯度高硅鋁合金高通量制備裝置包括高溫上模1、外模模具2、 感應(yīng)線圈3、梯度工件4、冷卻水循環(huán)裝置5、低溫下模6、熱電偶7,其中： 高溫上模，用于保持整個(gè)模具內(nèi)部溫度平衡和對(duì)高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應(yīng)線圈，作為可移動(dòng)式感應(yīng)加熱元件，為整個(gè)制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環(huán)裝置，當(dāng)制備過程中的溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，通過冷卻水循環(huán)裝置將多余 的熱量導(dǎo)出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對(duì)比，產(chǎn)生溫度梯度； 熱電偶，用于測(cè)試溫度控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度。
[0015] 梯度工件4位于高溫上模1和低溫下模6之間，外模模具2位于高溫上模1的側(cè)面、梯 度工件4的側(cè)面、低溫下模6的側(cè)面，熱電偶7位于外模模具2上，感應(yīng)線圈3纏繞在外模模具2 上和梯度工件4上，冷卻水循環(huán)裝置5位于外模模具2上，這樣排列緊湊。
[0016] 本發(fā)明封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法包括以下步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分(質(zhì)量百分比，wt.%)為 Al_50wt .%3;[、41-20￥1:.%3;[、41-12.6￥1:.%3;[。該發(fā)明制備的梯 度封裝材料可以是兩種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉末、也可以是三種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉末。
[0017] 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分 合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金 粉末體積百分比5(高成分）：1(低成分）。首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高 硅含量的合金粉。粉末加入后施加10KN的壓力。
[0018] 步驟三，利用感應(yīng)線圈對(duì)冷壓后的粉末加熱，根據(jù)加入合金粉末的成分調(diào)整加熱 溫度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度570°C、Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度 520°C、Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度450°C，通過不同位置處熱電偶測(cè)試溫度控 制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度，達(dá)到設(shè)定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN燒結(jié)。
[0019] 步驟四，在溫度梯度下燒結(jié)30min，然后控制整個(gè)樣品低溫30min-lh擴(kuò)散，冷卻，泄 壓。
[0020] 實(shí)例l:Al-20wt.%Si/ △1-12.6￥1%5丨梯度合金 按步驟一選擇Al-20wt. %Si和Al-12.6wt. %Si霧化合金粉來制備梯度合金，按步驟二首 先在模具底端裝入厚度為l〇mm的Al-12.6wt.%Si霧化合金粉，隨后加入厚度為50mm的A1-20wt.%Si合金粉。在室溫下對(duì)加入的粉末施加10KN的壓力。按步驟三利用感應(yīng)線圈對(duì)對(duì)冷 壓后的粉末加熱，根據(jù)步驟三要求Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度δΖΟΓα?-υ. 6wt .%Si 合金粉末的最高燒結(jié)溫度 450°C 。感應(yīng)線圈首先對(duì)高成分合金加熱 ，通過熱電偶 控制粉末最高溫度達(dá)到520°C時(shí)，感應(yīng)線圈開始降低功率并向模具下端移動(dòng)，在移動(dòng)到樣品 梯度區(qū)域時(shí)，溫度控制不超高480°C，感應(yīng)線圈繼續(xù)向模具下端移動(dòng)，模具下端粉末溫度控 制在450°C，當(dāng)高于此溫度時(shí)，立即停止加熱并利用水冷將多余的熱量導(dǎo)出。根據(jù)不同位置 處熱電偶的顯示，不斷移動(dòng)感應(yīng)線圈的加熱功率和不同位置處停留時(shí)間，使整個(gè)樣品處于 溫度梯度。均勻化lOmin后對(duì)樣品施加50KN的壓力。按步驟四保壓30min后，控制整個(gè)樣品溫 度450°C，保溫lh，使樣品中Si元素有充足的時(shí)間有高成分向低成分?jǐn)U散，從而形成成分梯 度，冷卻并泄壓。
[0021] 實(shí)例2:Al-50wt.%Si/ Al-20wt.%Si梯度合金 按步驟一選擇Al-50wt. %Si和Al-20wt. %Si霧化合金粉來制備梯度合金，按步驟二首先 在模具底端裝入厚度為l〇mm的Al-20wt · %Si霧化合金粉，隨后加入厚度為50mm的Al-50wt · % Si合金粉。在室溫下對(duì)加入的粉末施加10KN的壓力。按步驟三利用感應(yīng)線圈對(duì)對(duì)冷壓后的 粉末加熱，根據(jù)步驟三要求Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度570°C、Al-20wt.%Si合金 粉末的最高燒結(jié)溫度520 °C。感應(yīng)線圈首先對(duì)高成分合金加熱，通過熱電偶控制粉末最高溫 度達(dá)到570°C時(shí)，感應(yīng)線圈開始降低功率并向模具下端移動(dòng)，在移動(dòng)到樣品梯度區(qū)域時(shí)，溫 度控制不超過550°C，感應(yīng)線圈繼續(xù)向模具下端移動(dòng)，模具下端粉末溫度控制在520°C，當(dāng)高 于此溫度時(shí)，立即停止加熱并利用水冷將多余的熱量導(dǎo)出。根據(jù)不同位置處熱電偶的顯示， 不斷改變感應(yīng)線圈的加熱功率和不同位置處停留時(shí)間，使整個(gè)樣品處于溫度梯度。均勻化 lOmin后對(duì)樣品施加50KN的壓力。按步驟四保壓30min后，控制整個(gè)樣品溫度520°C，保溫lh， 使樣品中Si元素有充足的時(shí)間有高成分向低成分?jǐn)U散，從而形成成分梯度，冷卻并泄壓。 [0022]本發(fā)明的關(guān)鍵因素有以下四個(gè)因素 :粉末的加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度 的形成及燒結(jié)溫度與時(shí)間控制。粉末的加入方式是保證成分梯度形成的關(guān)鍵因素，單獨(dú)粉 末或者混粉加入，以及加入粉末的體積分?jǐn)?shù)影響梯度區(qū)成分范圍。溫度梯度的控制主要是 通過樣品的傳熱及熱流的導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)，利用熱電偶檢測(cè)不同位置處溫度，通過控制感應(yīng)線圈 的加熱時(shí)間來形成溫度梯度，低溫下膜熱量的導(dǎo)出主要靠水流的速度。成分梯度的形成除 與粉末加入量有關(guān)外，主要受控于高固熔粉末在外界熱流的作用下Si原子的析出，Si原子 本身有高濃度向低濃度擴(kuò)散的趨勢(shì)，通過上述溫度梯度的控制，加速Si原子的擴(kuò)散，從而使 Si元素在微觀區(qū)域形成梯度。燒結(jié)溫度與時(shí)間控制是保障梯度材料整體性能的重要手段， 高的燒結(jié)溫度，合金的致密度較高，其導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能提高;但是過高的溫度導(dǎo)致Si相 粗化，反而會(huì)降低梯度材料的性能；同時(shí)低的燒結(jié)溫度，導(dǎo)致合金的致密度降低，其導(dǎo)熱性 能和力學(xué)性能降低。燒結(jié)時(shí)間是控制梯度區(qū)成分寬度的主要因素。
[0023] 利用本發(fā)明提出的方法可以制備具有成分梯度分布的高硅鋁合金，高硅端具有低 的膨脹系數(shù)，滿足電路和芯片集成要求;低硅端具有優(yōu)良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒 側(cè)壁鉆孔、焊接、密封的需求。
[0024] 本發(fā)明制得的產(chǎn)品從上端面高成分硅含量梯度過度到下端面低成分硅含量。所述 的具有不同Si含量分布的梯度高硅鋁合金的制備方法包括粉末加入、移動(dòng)感應(yīng)加熱、溫度 梯度形成和加壓處理等。本發(fā)明的工藝適合具有不同燒結(jié)溫度的梯度合金的制備，制備的 合金材料成分呈現(xiàn)梯度變化，高硅端具有低的熱膨脹系數(shù)，低硅端具有優(yōu)異的加工和焊接 性能。該梯度過渡合金對(duì)緩解高硅端與低硅端連接過程中界面應(yīng)力具有重要意義。本發(fā)明 通過調(diào)節(jié)高硅鋁合金中硅相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使梯度材料高硅端具有較低的熱膨脹系數(shù)，低硅 端具有優(yōu)異的加工和焊接性能。本發(fā)明通過控制粉末燒結(jié)過程中溫度流向，制備出無明顯 界面的高硅鋁合金梯度材料，具體如下表1所示：
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn) 一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種梯度高硅鋁合金高通量制備裝置，其特征在于，其包括： 高溫上模，用于保持整個(gè)模具內(nèi)部溫度平衡和對(duì)高硅鋁合金霧化粉末提供一定的熱 源； 外模摸具，用于放置制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末中的兩種或者三種，按照低成 分合金粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入； 感應(yīng)線圈，作為可移動(dòng)式感應(yīng)加熱元件，為整個(gè)制備過程提供熱量； 梯度工件，用于制備梯度材料； 冷卻水循環(huán)裝置，當(dāng)制備過程中的溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，通過冷卻水循環(huán)裝置將多余 的熱量導(dǎo)出； 低溫下模，與高溫上模的溫度形成對(duì)比，產(chǎn)生溫度梯度； 熱電偶，用于測(cè)試溫度控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度高硅鋁合金高通量制備裝置，其特征在于，所述梯度工件 位于高溫上模和低溫下模之間，外模模具位于高溫上模的側(cè)面、梯度工件的側(cè)面、低溫下模 的側(cè)面，熱電偶位于外模模具上，感應(yīng)線圈纏繞在外模模具上和梯度工件上，冷卻水循環(huán)裝 置位于外模模具上。3. -種封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法，其特征在于，所述封裝用高 硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法包括以下步驟： 步驟一，提供用于制備梯度高硅鋁合金的霧化粉末，梯度高硅鋁合金的霧化粉末的主 要成分按質(zhì)量百分比計(jì)為Al_50wt · %Si、Al-20wt · %Si、A1-12 · 6wt · %Si ; 步驟二，選擇上述制備的梯度高硅鋁合金的霧化粉末兩種或者三種，按照低成分合金 粉在外模模具底端，高成分合金粉末在外模模具頂端的順序依次加入，不同成分合金粉末 提交百分比5:1;首先模具底層鋪低硅含量的合金粉;模具上端鋪高硅含量的合金粉;霧化 粉末加入后施加10KN的冷壓壓力； 步驟三，利用感應(yīng)線圈對(duì)冷壓后的粉末加熱，根據(jù)加入合金粉末的成分調(diào)整加熱溫度， Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為570°C，Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為 520°C，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結(jié)溫度為450°C，通過不同位置處熱電偶測(cè)試溫度 控制感應(yīng)加熱時(shí)間，從而形成溫度梯度，達(dá)到設(shè)定溫度后均勻化lOmin后升壓至50KN，燒結(jié)； 步驟四，在溫度梯度下燒結(jié)30min，然后控制整個(gè)樣品低溫30min-lh擴(kuò)散，冷卻，泄壓。4. 如權(quán)利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述步驟三中的溫度梯度的控制主要是通過樣品的傳熱及熱流的導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)，利用熱電偶檢 測(cè)不同位置處溫度，通過控制感應(yīng)線圈的加熱時(shí)間來形成溫度梯度，梯度樣件下端熱量的 導(dǎo)出主要靠冷卻水循環(huán)裝置。5. 如權(quán)利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法的關(guān)鍵因素有以下四個(gè)因素:粉末的 加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度的形成及燒結(jié)溫度與時(shí)間控制。6. 如權(quán)利要求3所述的封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法，其特征在于， 所述封裝用高硅鋁合金結(jié)構(gòu)梯度材料高通量制備方法適合具有不同燒結(jié)溫度的梯度合金 的制備。
【文檔編號(hào)】B22F3/10GK105970013SQ201610287138
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】賈延?xùn)|, 王剛, 易軍, 翟啟杰
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)