[發明專利]封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備裝置及方法

有效

• 申請號: 201610287138.3
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105970013B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 賈延東;王剛;易軍;翟啟杰
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/02;B22F3/10
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及材料加工技術領域，特別是涉及一種封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備裝置及方法。

背景技術

電子封裝主要發揮密封、散熱和屏蔽等作用，對器件的穩定性具有重要影響，同時還為精細電子線路提供機械支撐以及作為導電連接介質。現代戰機和導彈的電子封裝系統，芯片裸集成于封裝盒底面，要求封裝殼膨脹系數須與GaAs或Si芯片相匹配并有好的散熱性能；另一方面，封裝殼側壁和上蓋起支撐和保護作用，須具有良好的機械性能、氣密性和可焊接性能。高硅鋁合金因密度低、膨脹系數小、導熱性能好且有一定的強度、好的可加工性，在電子封裝領域具有廣泛的應用前景。隨著合金中硅含量升高，合金的熱膨脹系數逐漸降低，但是其機械和焊接性能變差，嚴重影響了高硅鋁合金在電子封裝領域的應用。為此，本發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，滿足電路和芯片集成要求；低硅端具有優良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒側壁鉆孔、焊接、密封的需求。

作為先進的金屬熱成形方法，粉末燒結技術具有易于操作、靈活性高及適于制備大體積的梯度材料的特點，成為目前應用比較廣泛的工藝。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種封裝用高硅鋁合金結構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，組織更加細化，合金具有優異的綜合性能。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種梯度高硅鋁合金高通量制備裝置，其包括：

高溫上模，用于保持整個模具內部溫度平衡和對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；

感應線圈，作為可移動式感應加熱元件，為整個制備過程提供熱量；

梯度工件，用于制備梯度材料；

冷卻水循環裝置，當制備過程中的溫度超過設定溫度時，通過冷卻水循環裝置將多余的熱量導出；

低溫下模，與高溫上模的溫度形成對比，產生溫度梯度；

熱電偶，用于測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度。

優選地，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面、梯度工件的側面、低溫下模的側面，熱電偶位于外模模具上，感應線圈纏繞在外模模具上和梯度工件上，冷卻水循環裝置位于外模模具上。

本發明還提供一種封裝用高硅鋁合金結構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量百分比計為Al-50wt.%Si、Al-20wt.%Si、Al-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，利用感應線圈對冷壓后的粉末加熱，根據加入合金粉末的成分調整加熱溫度，Al-50wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為570℃，Al-20wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為520℃，Al-12.6wt.%Si合金粉末的最高燒結溫度為450℃，通過不同位置處熱電偶測試溫度控制感應加熱時間，從而形成溫度梯度， 達到設定溫度后均勻化10min后升壓至50KN，燒結；

步驟四，在溫度梯度下燒結30min，然后控制整個樣品低溫30min-1h擴散，冷卻，泄壓。

優選地，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出實現，利用熱電偶檢測不同位置處溫度，通過控制感應線圈的加熱時間來形成溫度梯度，梯度樣件下端熱量的導出主要靠冷卻水循環裝置。

優選地，所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法的關鍵因素有以下四個因素：粉末的加入方式、溫度梯度的控制、成分梯度的形成及燒結溫度與時間控制。

優選地，所述封裝用高硅鋁合金結構梯度材料高通量制備方法適合具有不同燒結溫度的梯度合金的制備。