[發明專利]一種鋁基復合材料電子封裝殼體半固態成形技術

在審

• 申請號: 202011275101.1
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112725651A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 王開坤;楊森
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22C21/02;C22C21/14;C22C32/00;B22D18/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明公開了一種高體積分數鋁基復合材料電子封裝殼體的半固態成形工藝方法，屬于電子封裝領域。用電阻爐將低體積分數TiB₂顆粒增強鋁基復合材料在685～700℃下進行熔化，保溫20～30min，并加以電磁攪拌；將復合材料熔體冷卻至半固態溫度區間，獲得半固態漿料，或直接將合適尺寸大小的復合材料加熱至半固態溫度區間獲得半固態坯料；將電子封裝殼體成形腔設計在擠壓模具凹模腔底部邊緣水平方向；最后將半固態漿料或坯料擠壓成形，獲得電子封裝殼體零件。優點在于，完成了顆粒增強鋁基復合材料從原料到成品過程中增強顆粒體積分數由低到高的巧妙轉變，實現了電子封裝殼體短流程、低成本的近終成形制造，提高了殼體零件的表面質量和力學性能。

技術領域

本發明屬于電子封裝領域，具體涉及到一種TiB₂顆粒增強鋁基復合材料半固態成形技術。

背景技術

隨著如今集成電路的集成度迅猛增加，導致芯片的發熱量急劇上升，芯片壽命也相應下降了許多。這主要是因為在微電子集成電路和大功率整流器件中，材料之間熱膨脹系數的不匹配引起的局部熱應力以及散熱性能不佳，致使電子元器件發生熱疲勞從而失效，而合理的電子封裝則是解決這個難題的有效途徑。用于封裝的殼體一般起著固定、密封、散熱和保護芯片的作用，因此制造電子封裝殼體的材料需要具備低熱膨脹系數、高熱導率、高強度和剛度等特點，而且在某些特殊應用領域特別是航空航天領域還要求殼體材料的密度盡可能小，以減輕整體重量。

顆粒增強鋁基復合材料是由純鋁或鋁合金基體和各類陶瓷顆粒增強相復合而成的，高體積百分比的復合材料既能保留金屬良好的導熱性又能獲得可調的熱膨脹系數，同時還能滿足電子封裝殼體其他性能的需求，因而在電子封裝領域有著極大的應用前景，代表著新型輕質封裝材料的發展方向。但高體積分數的顆粒增強鋁基復合材料也有一些制約其發展的劣勢，例如：成本相對較高、二次加工困難(特別是塑性成形)等。因此，開發一種短流程、近終成形且易于控制的材料成形工藝來制造鋁基復合材料電子封裝殼體將是一項具有挑戰性和創造性的工作，并有著極大的理論意義和實用價值。

在20世紀70年代初，美國麻省理工學院的Flemings教授等人開發了一種介于液態金屬鑄造和固態金屬塑性加工的先進金屬成形方法，既半固態加工技術(Semi-SolidProcessing,簡稱SSP)。Flemings教授的研究表明，在金屬凝固時施加劇烈的攪拌，能夠抑制晶粒的長大，并使枝晶破碎，從而形成細小、均勻的近球狀微觀組織，得到一種液態金屬母液中懸浮著一定顆粒狀固相組分的固液混合漿料，此時半固態漿料具有優良的流變性和觸變性。目前研究者們認為半固態枝晶球化行為主要與以下各類機制有關：

(1)枝晶斷裂機制。在強力攪拌下產生的切應力使晶粒之間相互碰撞，導致枝晶臂發生斷裂(通常斷裂處位于枝晶臂根部)，這些斷裂的枝晶能夠起到促進形核抑制晶粒長大的作用，進而形成許多細小晶粒。隨著溫度的降低，這些薔薇狀小晶粒逐漸演變為近球狀結構。

(2)枝晶熔斷機制。由于劇烈攪拌加速了熔體的流動，從而引發熱振動和局部熱應力，這使得尺寸較長的枝晶臂根部更容易被熱流熔斷。這是因為枝晶臂根部固相中的溶質質量分數更高從而降低了熔點，同時枝晶臂根部的直徑比起其他部位更小一些，所以在熱擾動的作用下枝晶臂根部優先發生熔斷，被熱流帶入到熔體中的枝晶碎片將作為晶體形核的基底促使晶粒逐漸轉變為近球狀。

(3)枝晶彎曲機制。枝晶在流動應力下將發生彎曲，產生位錯導致塑性變形。在固相線以上的溫度，位錯間發生攀移相互結合形成晶界，當相鄰晶粒的取向差超過20°，且晶粒晶界能超過固液界面能的兩倍時，液相將潤濕晶界并沿著晶界迅速滲透，從而使枝晶臂與主干分離開。同樣，分離的枝晶能起到促進晶粒球化的作用。