一种高硅铝合金电子封装壳体及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，由不同硅含量的高硅铝合金分别作为其底部、过渡部和焊接部，形成梯度材料结构，满足电子封装材料对强度、热导率、热膨胀系数等材料性能以及机加工、表面镀覆、激光焊接等工艺性能的综合要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高硅铝合金电子封装壳体及其制造方法
本专利技术属于金属及合金的制造
，具体涉及一种高硅铝合金电子封装壳体及其制造方法。
技术介绍
电子封装壳体为芯片提供电/热通路、机械支撑和环境保护，是元器件性能稳定、高可靠服役的基础，既要求力学和热物理性能良好，也需满足机加工、表面镀覆和激光焊接等工艺要求。目前，以硅颗粒、碳化硅颗粒、碳纤维和金刚石颗粒等增强的铝基复合材料，具有密度低、高导热、膨胀系数可调等优点，成为当今电子封装材料的研究热点。以Al/SiCp复合材料为代表的第三代封装材料具有良好的力学性能和热物理性能，但在实际应用中却面临机加工和表面镀覆难度大，无法激光焊接，以及壳体与盖板焊接难以满足气密性要求等突出问题。高硅铝合金具有热导率高、热膨胀系数与芯片适配、比强度高、密度小(<2.7g/cm3)、易于加工和焊接等特点，成为一种具有广阔应用前景的电子封装壳体材料。然而，现有单一均质的高硅铝合金电子封装材料很难兼具热膨胀匹配、高导热、机加工、焊接等材料性能与工艺性能的综合要求，比如硅含量较高(≥50％)的高硅铝合金具有更低的密度和热膨胀系数，但其热导率低、激光焊接性能差、机加工难度高、成品率低，而硅含量较低的高硅铝合金具有高热导率、良好的激光焊接和机加工性能，但其热膨胀系数无法与芯片匹配。因此，基于实际应用需求，开发结构-功能一体化高硅铝合金电子封装是解决材料性能与工艺性能匹配性的有效途径。结构-功能一体化高硅铝合金包括一体化的不同硅含量的高硅铝合金，具有较高硅含量的高硅铝合金具有较低的热膨胀系数和较高的强度,满足电路和芯片集成要求，适合与陶瓷基板的封装；而具有较低硅含量的高硅铝合金具有良好的导热性能，易于加工和封焊，满足封装壳体侧壁钻孔、焊接、密封的要求，适于用作散热面；同时，根据实际应用需求，还可以设计不同硅含量的中间过渡层，减小梯度材料的热应力并优化其分布状况。专利“封装用高硅铝合金结构梯度材料高通量制备装置及方法”(105970013B)公开了梯度高硅铝合金高通量制备装置和高通量制备方法。但是，从应用角度出发，对高硅铝合金电子封装壳体进行结构-功能一体化设计和制造还鲜有报道。目前，功能梯度材料多采用粉末冶金、无压浸渗等方法制备，论文“Sip/Al功能梯度材料的粉末冶金热压工艺制备及性能研究”(粉末冶金工业，2014，24(1)：39-43)报道了热压法制备Sip/Al功能梯度材料，论文“无压浸渗法制备不同体积分数及梯度SiCp/Al复合材料”(2006，材料工程，6：13-16)报道了采用无压浸渗制备了低、中、高各种体积分数6个体积分数梯度的SiCp/Al复合材料，论文“热压烧结制备近全致密W-Cu梯度热沉材料”(中国有色金属学报，2007，17(9)：1410-1416)报道了采用热压固相烧结和粒度配比法制备了近全致密的W-Cu梯度热沉材料。专利“通过快速热压制备梯度硅铝合金电子封装材料的方法”(102358924B)公开了气雾化与热压烧结制备梯度高硅铝合金电子封装材料。然而，关于高硅铝合金结构-功能一体化材料的喷射沉积制备方法还鲜有报道，现有技术与批量稳定化生产还存在一定差距。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，由不同硅含量的高硅铝合金分别作为其底部、过渡部和焊接部，形成梯度材料结构，满足电子封装材料对强度、热导率、热膨胀系数等材料性能以及机加工、表面镀覆、激光焊接等工艺性能的综合要求。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，包括以下步骤：S1：对所述高硅铝合金电子封装壳体的材料组分和厚度进行设计，所述高硅铝合金电子封装壳体呈凹槽状，包括底部和侧壁，所述底部和侧壁围合形成容置空间；所述侧壁包括过渡部和焊接部，所述焊接部位于所述过渡部的上方；所述过渡部的高度≥0mm，当所述过渡部的高度为0，则所述焊接部与所述底部相连接；S2：根据S1的设计，使用若干不同硅含量的高硅铝合金作为原料，依据高硅铝合金的硅含量大小顺序排列并采用雾化沉积装置依次沉积，形成梯度材料锭坯；所述梯度材料锭坯包括连接层、过渡层和焊接层，所述过渡层位于所述连接层和焊接层之间，所述过渡层的数量≥0；所述连接层、过渡层和焊接层的硅含量沿着从连接层到焊接层的方向从大到小呈梯度变化；S3：对所述梯度材料锭坯进行致密化处理；S4：切割所述梯度材料锭坯，使所述梯度材料锭坯呈凹槽状；所述连接层作为所述底部；所述过渡层和所述焊接层经过切割形成边框状，切割后的所述过渡层作为所述过渡部，切割后的所述焊接层作为所述焊接部，得到高硅铝合金电子封装壳体；S5：退火处理。本专利技术的高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，运用材料结构-功能一体化设计思路，提出底部、过渡部和焊接部构成的梯度材料结构，满足电子封装材料对强度、热导率、热膨胀系数等材料性能以及机加工、表面镀覆、激光焊接等工艺性能的综合要求；采用雾化沉积方法制备得到的高硅铝合金电子封装壳体界面清晰，将实心的梯度材料锭坯切割形成可容纳芯片的凹槽状，工艺过程的可控性高，能够获得不同结构的高硅铝合金，具有良好的连续性和稳定性，适合工业化生产。进一步，S1包括：①对若干不同硅含量的高硅铝合金，检测硅含量与材料性能和工艺性能的定量关系；②依据温度和热应力分布，参照高硅铝合金中硅含量与材料性能和工艺性能的定量关系，设计所述高硅铝合金电子封装壳体的材料组分和厚度。通过建立现有的单一均质的高硅铝合金硅含量与性能之间的定量关系，为设计所述高硅铝合金电子封装壳体提供参考。进一步，①中，所述材料性能包括抗拉强度、硬度、热导率和热膨胀系数；所述工艺性能包括机加工、表面镀覆和激光焊接。通过预先评估材料性能和工艺性能，从功能出发设计结构，以满足电子封装材料对强度、热导率、热膨胀系数等材料性能以及机加工、表面镀覆、激光焊接等工艺性能的综合要求。进一步，②中，预设所述高硅铝合金电子封装壳体尺寸，并预设所述底部的材料组分和厚度，以及所述焊接部的材料组分；采用热弹性理论和有限元计算，设计得到所述过渡部的合金组分以及所述过渡部和焊接部的厚度；再以所述过渡部的合金组分以及所述过渡部和焊接部的厚度为已知量，采用热弹性理论和有限元计算所述底部和所述焊接部的材料组分和厚度，得到所述底部、过渡部和焊接部的材料分和厚度。参照常规的高硅铝合金电子封装壳体尺寸，预设所述底部的材料组分和厚度，以及所述焊接部的材料组分，将设计过程简化为设计所述过渡部的合金组分以及所述过渡部和焊接部的厚度，再代入所述过渡部的合金组分以及所述过渡部和焊接部的厚度，重新设计所述底部的材料组分和厚度，以及所述焊接部的材料组分，得到完整的高硅铝合金电子封装壳体的设计方案。进一步，S2中，所述雾化沉积装置为双雾化系统沉积装置，所述双雾化系统沉积装置包括微机控制部、两个雾化部、沉积部；所述微机控制部控制两个雾化部和沉积部；所述雾化部包括喷嘴、雾化器、气体连接装置、气体连接装置控制器、堵杆和堵杆控制器；所述气体连接装置控制器控制所述气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，其特征在于：/n包括以下步骤：/nS1：对所述高硅铝合金电子封装壳体的材料组分和厚度进行设计，所述高硅铝合金电子封装壳体呈凹槽状，包括底部和侧壁，所述底部和侧壁围合形成容置空间；所述侧壁包括过渡部和焊接部，所述焊接部位于所述过渡部的上方；所述过渡部的高度≥0mm，当所述过渡部的高度为0，则所述焊接部与所述底部相连接；/nS2：根据S1的设计，使用若干不同硅含量的高硅铝合金作为原料，依据高硅铝合金的硅含量大小顺序排列并采用雾化沉积装置依次沉积，形成梯度材料锭坯；所述梯度材料锭坯包括连接层、过渡层和焊接层，所述过渡层位于所述连接层和焊接层之间，所述过渡层的数量≥0层；所述连接层、过渡层和焊接层的硅含量沿着从连接层到焊接层的方向从大到小呈梯度变化；/nS3：对所述梯度材料锭坯进行致密化处理；/nS4：切割所述梯度材料锭坯，使所述梯度材料锭坯形成凹槽状；所述连接层作为所述底部；所述过渡层和所述焊接层经过切割形成边框状，切割后的所述过渡层作为所述过渡部，切割后的所述焊接层作为所述焊接部，得到高硅铝合金电子封装壳体；/nS5：退火处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1：对所述高硅铝合金电子封装壳体的材料组分和厚度进行设计，所述高硅铝合金电子封装壳体呈凹槽状，包括底部和侧壁，所述底部和侧壁围合形成容置空间；所述侧壁包括过渡部和焊接部，所述焊接部位于所述过渡部的上方；所述过渡部的高度≥0mm，当所述过渡部的高度为0，则所述焊接部与所述底部相连接；
S2：根据S1的设计，使用若干不同硅含量的高硅铝合金作为原料，依据高硅铝合金的硅含量大小顺序排列并采用雾化沉积装置依次沉积，形成梯度材料锭坯；所述梯度材料锭坯包括连接层、过渡层和焊接层，所述过渡层位于所述连接层和焊接层之间，所述过渡层的数量≥0层；所述连接层、过渡层和焊接层的硅含量沿着从连接层到焊接层的方向从大到小呈梯度变化；
S3：对所述梯度材料锭坯进行致密化处理；
S4：切割所述梯度材料锭坯，使所述梯度材料锭坯形成凹槽状；所述连接层作为所述底部；所述过渡层和所述焊接层经过切割形成边框状，切割后的所述过渡层作为所述过渡部，切割后的所述焊接层作为所述焊接部，得到高硅铝合金电子封装壳体；
S5：退火处理。


2.根据权利要求1所述的高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，其特征在于：
S1包括：①对若干不同硅含量的高硅铝合金，检测硅含量与材料性能和工艺性能的定量关系；②依据温度和热应力分布，参照高硅铝合金中硅含量与材料性能和工艺性能的定量关系，设计所述高硅铝合金电子封装壳体的材料组分和厚度。


3.根据权利要求2所述的高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，其特征在于：
①中，所述材料性能包括抗拉强度、硬度、热导率和热膨胀系数；所述工艺性能包括机加工、表面镀覆和激光焊接。


4.根据权利要求2所述的高硅铝合金电子封装壳体的制造方法，其特征在于：
②中，预设所述高硅铝合金电子封装壳体尺寸，并预设所述底部的材料组分和厚度，以及所述焊接部的材料组分；
采用热弹性理论和有限元计算，设计得到所述过渡部的合金组分以及所述过渡部和焊接部的厚度；再以所述过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43