金屬基復(fù)合材料電子封裝件多層累積模鍛成形工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料模鍛成形工藝方法，具體涉及金屬基復(fù)合材料電子封裝件多層累積模鍛成形工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，制備高SiC含量的鋁基復(fù)合材料吸引全世界范圍內(nèi)材料工作者的注意。與傳統(tǒng)的金屬和合金相比，高SiC含量的鋁基復(fù)合材料具有高的比強度、比彈性模量、低膨脹、高導(dǎo)熱，原材料價格不到鎢銅合金的1/10，重量也及其1/5，而且性能可任意剪裁等一系列優(yōu)點。例如它可以同時具有高彈性模量(可超過200GPa，與鋼材相當(dāng))！超高的比模量(接近鋁合金、鈦合金的3倍)和很高的熱導(dǎo)率、極低的熱膨脹系數(shù)(可與陶瓷相當(dāng))。因此，目前高體分率的SiC/Al金屬基復(fù)合材料已經(jīng)成為電子封裝第三代的代表。
[0003]SiCp/Al電子封裝材料經(jīng)過十多年的研究和發(fā)展已經(jīng)開始從試驗階段步入實用階段，主要應(yīng)用于軍用電子產(chǎn)品，包括軍用混合電路(HIC)、微波管的載體、多芯片組(MCM)的熱沉和超大功率模塊(IGBT)的封裝均取得較好的效果。在高性能飛機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)中使用SiCp/Al復(fù)合材料封裝后，電路的體積和重量大幅度減小，并提高了可靠性。美國在多個軍事工程，特別是航空航天中已規(guī)?；褂眠@種SiC/Al復(fù)合材料，例如在F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)上，大量采用該材料作為印刷電路板板芯，電子設(shè)備基座及外殼。另外，應(yīng)用該材料的先進(jìn)航空航天器還包括F-19 “大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)，EA-6B “徘徊者”電子戰(zhàn)飛機(jī)，以及用作反射鏡及其框架的空間望遠(yuǎn)鏡(如哈勃望遠(yuǎn)鏡)等。由于高sic含量的鋁基復(fù)合材料集優(yōu)異的承載功能、卓越的熱控功能、乃至獨特的抗共振功能于一身，因此在航空航天領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。例如，用該材料替代鋁合金或鈦合金用于航空航天光電探測結(jié)構(gòu)，可顯著提高平臺在力、熱負(fù)荷作用下的精度穩(wěn)定性；替代鎢銅、鋁銅專用封裝合金用于航空航天電子元器件，可實現(xiàn)相應(yīng)元件減重70?80%，整部電子裝備減重可達(dá)百公斤級。
[0004]目前生產(chǎn)SiC/Al復(fù)合材料的方法主要有粉末冶金法、噴霧沉積法、攪拌鑄造法、壓力熔滲法等、無壓滲透法。
[0005](I)粉末冶金法制備SiC/Al復(fù)合材料是先將SiC，鋁粉和成形劑混合后壓制成形，經(jīng)過脫脂、燒結(jié)成成品。粉末冶金法的最大優(yōu)點在于成分的自由度寬，這種方法可以很好地控制復(fù)合材料的成分，從理論上講是可以任意的配比；由于成型溫度低于基體合金的熔點，金屬基體與增強體的界面反應(yīng)少，減少了界面反應(yīng)對材料性能的不利影響；對SiC/Al復(fù)合材料而言，不易出現(xiàn)偏聚或偏析現(xiàn)象，可以降低增強材料與基體相互潤濕的要求。但國內(nèi)外學(xué)者用粉末冶金法來制備SiC/Al復(fù)合材料的不多。其原因是燒結(jié)過程不易控制，造成材料中孔隙多，而且在后續(xù)處理過程也不易消除，工業(yè)化成本較高。另外，粉末冶金法對SiC的加入量也有一定的限制，一般不超過55% volSiC含量低的鋁基復(fù)合材料難以滿足電子封裝的要求；同時粉末冶金法難以實現(xiàn)復(fù)雜部件的近凈成形。
[0006](2)噴射沉積法是20世紀(jì)80年代由ospray公司開發(fā)的一種制備金屬基復(fù)合材料的方法。此工藝是在坩禍底部開一個小孔，當(dāng)熔融金屬鋁液流出后，將顆粒增強相加入液流中，然后用高速惰性氣體將基體與顆粒混和物分散成細(xì)液滴使其霧化，顆粒及霧化流噴射到基底上共同沉積成金屬復(fù)合材料。由于增強體粒子在氣流推動下高速射人熔體，所以對界面的潤濕性要求不高，還可以消除顆粒偏析等不良組織"而且增強相與基體熔液接觸時間短，因此二者之間的反應(yīng)易于控制，且適用于多種增強相沉積的復(fù)合材料，相對密度達(dá)到95% -98%，需進(jìn)行二次加工以實現(xiàn)完全致密化。由于噴粉和材料復(fù)合一步完成，工藝流程短，工序簡單，效率高，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。缺點是成本較高，沉積速度較慢。(3)熔滲法是SiC/Al電子封裝復(fù)合材料制備的一個主要工藝，根據(jù)熔滲過程中是否施壓分為壓力熔滲和無壓熔滲。首先把SiC制成預(yù)制塊，讓鋁或鋁合金液在壓力作用下滲入到預(yù)制塊內(nèi)制成復(fù)合材料。將SiC與水及粘結(jié)劑充分?jǐn)嚢杌旌虾蠓湃肽＞邇?nèi)加壓至5MPa，隨后在80°C恒溫箱內(nèi)烘48h出模，獲得具有一定孔隙度的預(yù)制塊。壓鑄模和預(yù)制塊預(yù)熱至500°C，鋁液加熱至800°C澆注，然后立即加壓使鋁液滲入預(yù)制塊，在125MPa的壓力下保壓3min，除去壓力待其自然冷卻后出模。另一種方法是向預(yù)熱的750°C模具中加入800°C的Si，C顆粒后，在50MPa的壓力下保扭30s，使鋁液滲入，再在1100°C鍛燒4h，制得SiC體積分?jǐn)?shù)為50% -71%的鋁基復(fù)合材料。該工藝制備復(fù)合材料工藝難度相對較大，主要是制備SiC粉末預(yù)成形坯塊比較困難，強度不高，預(yù)制塊在壓滲過程中易崩潰。缺點就是需要高壓設(shè)備及密封良好的耐高壓的模具，所以生產(chǎn)費用較高，在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，特別是小的薄壁電子封裝構(gòu)件方面限制很大。無壓滲透法是一種生產(chǎn)具有高體積分?jǐn)?shù)的電子封裝復(fù)合材料材料的有效方法，該工藝是在80年代末90年代初由美國Lanxide公司研制的一種新型復(fù)合材料成型工藝。隨著工藝的不斷發(fā)展，己能實現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)MMC的凈成型。這種工藝使用的基體合金均為Al-Mg合金，當(dāng)使用SiC作為增強體時往往還加人一定量的Si以減少Al/SiC之間的界面反應(yīng)。在一定溫度下(>800°C)，基體合金中的Mg緩慢揮發(fā)擴(kuò)散至陶瓷素坯中，與作為保護(hù)氣氛的氮氣發(fā)生反應(yīng)，而在粉體的表面生成氮化鎂，液態(tài)鋁與表面的氮化鎂相接觸，通過一系列的化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)鋁液的浸滲，并最終實現(xiàn)了無壓浸滲，無壓滲透法的缺點是工藝成形時間長，模具要求溫度高。
[0007]從上面情況可以看出，目前國內(nèi)外關(guān)于電子封裝的研究主要針對電子封裝材料的研究，主要的工序:1、制備符合要求的電子封裝材料；2、對此電子封裝材料進(jìn)行機(jī)械加工，制備復(fù)合零件尺寸結(jié)構(gòu)形狀的零件；3、將經(jīng)機(jī)械加工后的電子封裝零件與蓋板材料進(jìn)行焊接。但是，此過程中容易出現(xiàn)以下問題:1、機(jī)械加工困難。由于電子封裝零件中一般是含有陶磁顆粒較多的(>50vol% )的金屬基復(fù)合材料，此種材料的特點是較脆且硬度高、耐磨性能高，所以難以加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的所需零件，且零件的某些部位較薄(<1_)，所以機(jī)械加工成本高。2、焊接困難。對于一般的復(fù)合材料而言，當(dāng)增強相體分率較高時，其焊接性能較差，而且焊接溫度不能太高(約小于450°C )，因而一般的焊接方法比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了解決采用現(xiàn)有技術(shù)中電子封裝材料的研究中容易出現(xiàn)以下問題:1、機(jī)械加工困難，由于電子封裝零件中難以加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的所需零件，零件的某些部位較薄，機(jī)械加工成本高。2、焊接困難，增強相體分率較高時，其焊接性能較差，而且焊接溫度不能太高，焊接方法比較困難的問題，進(jìn)而提供金屬基復(fù)合材料電子封裝件多層累積模鍛成形工藝方法。
[0009]本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是:
[0010]金屬基復(fù)合材料電子封裝件多層累積模鍛成形工藝方法，所述方法是按照以下步驟實現(xiàn)的:
[0011]步驟一:制備坯料:通過半固態(tài)攪拌鑄造法制備Xvol % SiC/Al的第一復(fù)合材料坯料通過半固態(tài)攪拌鑄造法制備Yvol % SiC/Al的第二復(fù)合材料坯料，通過粉末雙向壓制工藝方法制備Zvol % SiC/Al的第三復(fù)合材料坯料，通過粉末雙向壓制工藝方法制備Wvol %SiC/Al的第四復(fù)合材料坯料；
[0012]步驟二:組裝坯料:將步驟一中的第一復(fù)合材料坯料、第二復(fù)合材料坯料、第三復(fù)合材料坯料和第四復(fù)合材料坯料由上向下依次組裝設(shè)置；
[0013]步驟三:坯料裝填:將步驟二中組裝后的多層坯料由上至下裝填入具有電磁感應(yīng)快速加熱的模腔中:
[0014]步驟四:對坯料進(jìn)行加熱:將電磁感應(yīng)快速加熱的模腔進(jìn)行加熱，將模腔加熱至550°，并保溫五分鐘使多層坯料受熱均勻，停止加熱；
[0015]步驟五:模鍛加壓:將步驟四中停止加熱后電磁感應(yīng)快速加熱的模腔內(nèi)的坯料通過模鍛錘進(jìn)行加壓，在500MPa的壓力作用下保壓保溫五分鐘，在電磁感應(yīng)快速加熱的模腔內(nèi)取出模鍛后的零件。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1、本發(fā)明工藝成形及連接過程可以通過塑性模鍛成形工藝進(jìn)行，也可以通過半固態(tài)模鍛成形工藝方法，無論哪種方法，坯料在制備過程中，壓力作用可以實現(xiàn)零件的模鍛成形，可以制備復(fù)雜形狀的零件，而且零件內(nèi)部致密度高，孔隙含量少，有助于材料力學(xué)性能的提尚。
[0018]2、在壓力作用下以及較高的成形溫度(固態(tài)熱模鍛或者半固態(tài)模鍛)，可以實現(xiàn)不同增強相含量的復(fù)合材料坯料制件互相擴(kuò)散連接，從而可以實現(xiàn)選擇性、針對性的電子封裝材料有的放矢地設(shè)計，半固態(tài)金屬成形是20世紀(jì)70年代新發(fā)現(xiàn)的一種凝固現(xiàn)象的應(yīng)用，它不是利用凝固過程來控制組織的變化或缺陷的產(chǎn)生，而是通過半固態(tài)金屬液產(chǎn)生的流變性和熔融性來控制制件的質(zhì)量。它對解決傳統(tǒng)壓鑄件缺陷多、壽命低、耗能大等問題具有重要作用，半固態(tài)成形包括流變成形和觸變成形。將制得的半固態(tài)非枝晶漿料直接進(jìn)行成形加工，稱為流變成形(Rheoforming);而將這種漿料先凝固成鑄錠，再根據(jù)需要將金屬鑄錠分切成一定大小，使其重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間而進(jìn)行的加工成為觸變成形(Thixoforming)。流變成形更節(jié)省能源、流程更短、設(shè)備更緊湊、因此流變成形技術(shù)仍然