一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分，其由以下合金元素組合而成(質(zhì)量百分比)：硅鋁合金：85～95％，磷：0.3～0.9％，鍶：0.3～0.9％，硼：0.1～1.5％，鎂：1.0～3.5％，銅：1.0～5.0％，鈮：0.5～5.0％，鉬：0.5～5.0％，稀土：0.02～0.2％。本發(fā)明針對(duì)熔煉鑄造法設(shè)計(jì)了的合金成分配方，以該成分配方，再輔以加壓成型鑄造工藝，就可以獲得合格的硅鋁合金電子封裝材料。相比于現(xiàn)有方法，本發(fā)明最大的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是工藝簡(jiǎn)化，成型效率高；二是成本大大降低，對(duì)應(yīng)于相同的產(chǎn)量，本發(fā)明成本只相當(dāng)于噴射成型方案的三分之一以下。
【專利說明】一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金 成分
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合金成分，尤其涉及一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封 裝材料的合金成分。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電子封裝行業(yè)向高密度、高功率方向發(fā)展，開發(fā)具有良好導(dǎo)熱能力的 材料同時(shí)又能滿足熱膨脹性能的要求成為當(dāng)務(wù)之急。電子封裝作為微電路器件的一個(gè)必不 可少的組成部分，起著電路支撐、密封、散熱和屏蔽等作用，對(duì)電路的性能和可靠性具有重 要影響。
[0003] 硅鋁合金作為一種新型封裝材料，由于其密度?。?. 4-2. 6g/cm3)，熱膨脹系數(shù)低 (6. 8-11 X 10_6K)，熱傳導(dǎo)性好（120-150WAm. K))，容易加工成所需形狀，易于電鍍和涂裝， 同時(shí)能夠滿足航空航天設(shè)備和移動(dòng)、計(jì)算通訊設(shè)備輕量化的要求。此外，該材料具有足夠的 強(qiáng)度和剛度，能夠用傳統(tǒng)工藝方法進(jìn)行機(jī)械加工和電鍍涂裝，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 用于電子封裝材料的硅鋁合金（或稱超高硅鋁合金），主要由硅和鋁兩種元素構(gòu) 成，但其中為了提高性能，還會(huì)添加其他的一些元素，如磷、鎂等，這些元素的含量較少，占 總量的5%以下。然而，硅鋁合金由于含有大量的硅，使其冶金和凝固特性變得很差，因此 用傳統(tǒng)的鑄造方法生產(chǎn)的情況下，材料鑄錠內(nèi)部的硅相尺寸粗大、會(huì)存在大量顯微縮孔、縮 松，而且材料性能變脆、韌性差，不能滿足電子封裝的需求。因此在生產(chǎn)電子封裝用超高硅 鋁合金時(shí)，控制硅相尺寸和促進(jìn)致密化是兩個(gè)最重要的目標(biāo)。
[0005] 生產(chǎn)硅鋁電子封裝材料的方法，總體來說分成三種：即粉末冶金法、噴射成型法、 熔煉鑄造法。前兩種都存在成本高昂、生產(chǎn)效率低等問題。第三種的熔煉鑄造法，理論上可 以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的生產(chǎn)，然而對(duì)于合金成分、鑄造工藝條件要求很高，否則很難得到 微觀組織細(xì)小、致密的合格材料。這也是傳統(tǒng)的鑄造方法不適用的原因。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金 成分。該合金成分適用于半固態(tài)（壓力）鑄造、擠壓鑄造、流變（壓力）鑄造方法，可有效 抑制凝固過程中硅相的長(zhǎng)大，并有利于最終形成致密的顯微合金組織，獲得優(yōu)質(zhì)電子封裝 材料坯錠。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分，由以下合金元素 組合而成（質(zhì)量百分比）：硅鋁合金：85?95%，磷：0.3?0.9%，鍶：0.3?0.9 %，硼： 0· 1 ?1. 5%，鎂：1· 0 ?3. 5%，銅：1· 0 ?5. 0%，鈮：0· 5 ?5. 0%，鑰：0· 5 ?5. 0%，稀土： 0· 02?0· 2% ;硅鋁合金中，硅：50?70%，鋁：30?50%。
[0009] 本發(fā)明通過合金化的方法，除硅、鋁兩種合金元素以外，又增加了磷（P)、鍶（Sr)、 硼（B)、鎂（Mg)、銅（Cu)、鈮（Nb)、鑰（Mo)、稀土（Re)等八種合金元素，它們?cè)谄渲杏械钠鸬?變質(zhì)、抑制硅相長(zhǎng)大的作用（磷、鍶），有的起到促進(jìn)形核質(zhì)點(diǎn)、細(xì)化組織的作用（硼），有的 起到阻斷、分?jǐn)喙柘嚅L(zhǎng)大作用（鈮、鑰），有的起到強(qiáng)化基體、提高材料強(qiáng)度作用（鎂、銅）， 有的起到破壞硅相連續(xù)長(zhǎng)大，提高合金液流動(dòng)性、使硅相球化的作用（稀土）。本發(fā)明中硅、 鋁兩種元素含量約占90-95 %，其他八種元素的含量總和約占5-10 %。并且，鈮、鑰、硼三 種高熔點(diǎn)元素在熔煉過程中以粉末的形式的加入，鎂、銅兩種元素以塊狀，磷在熔煉后期以 鋁-磷中間合金方式加入，鍶、稀土以鋁板包覆的形式后期加入。本發(fā)明通過熔煉鑄造方法 的試驗(yàn)摸索，優(yōu)化出了這些元素的合理含量范圍，形成了優(yōu)化的成分配方。該配方在熔煉鑄 造的條件下，可獲得良好的合金顯微組織和性能。
[0010] 本發(fā)明針對(duì)熔煉鑄造法設(shè)計(jì)了的合金成分配方，以該成分配方，再輔以加壓成型 鑄造工藝，就可以獲得合格的硅鋁合金電子封裝材料。相比于現(xiàn)有方法，本發(fā)明最大的優(yōu)勢(shì) 和優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是工藝簡(jiǎn)化，成型效率高；二是成本大大降低，對(duì)應(yīng)于相同的產(chǎn)量，本發(fā) 明成本只相當(dāng)于噴射成型方案的三分之一以下。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為只米用〇· 5%磷變質(zhì)的娃錯(cuò)合金（含娃量50% )顯微組織，圖中標(biāo)尺為 100 μ m ；
[0012] 圖2為米用本發(fā)明配方的娃錯(cuò)合金（含娃量50% )顯微組織，圖中標(biāo)尺為100 μ m。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限如此，凡是對(duì)本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
【具體實(shí)施方式】 [0014] 一：本實(shí)施方式提供了一種合金成分配方。其中的娃、錯(cuò)為基本組 元，磷、鍶、硼、鎂、銅為一般添加組元，鈮、鑰為獨(dú)有添加組元。
[0015] 一、各合金組元的作用：
[0016] 硅、鋁兩種組元作為電子封裝材料的基礎(chǔ)組元，其中的硅熱膨脹系數(shù)為4. IX ΚΓ6/ K，鋁的熱膨脹系數(shù)為23X 1(Γ7Κ。二者構(gòu)成合金，主要靠硅降低和中和鋁的熱膨脹系數(shù)，根 據(jù)硅、鋁兩種組元的混合比例不同，最終硅鋁合金的熱膨脹系數(shù)在6-17ΧΚΓ7Κ范圍內(nèi)變 動(dòng)，這也稱為"膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)"。
[0017] 磷、鍶組元其主要作用是變質(zhì)作用，抑制硅相的長(zhǎng)大，防止組織中過度粗大的硅相 出現(xiàn)。
[0018] 硼具有孕育作用，硼粒子質(zhì)點(diǎn)作為形核核心，可以細(xì)化晶粒。
[0019] 鎂、銅組元屬合金強(qiáng)化元素，鎂與硅形成鎂二硅（Mg2Si)強(qiáng)化相；銅是重要的合金 元素，有一定的固溶強(qiáng)化效果，時(shí)效析出的CuA1 2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。
[0020] 鈮、鑰作為高熔點(diǎn)組元，在凝固過程中起到阻斷硅、分割相長(zhǎng)大作用，鈮還可與硅 形成高溫穩(wěn)定的他51 2相。阻礙硅相連續(xù)長(zhǎng)大。
[0021] 稀土元素具有去脫氧，促進(jìn)硅相球化的作用。
[0022] 二、上述合金成分在熔煉過程中的加入順序?yàn)椋?br>
[0023] (1)在中頻電爐內(nèi)，硅塊、鋁錠同時(shí)熔煉至熔融狀態(tài)；
[0024] (2)加入銅、硼；
[0025] (3)加入粉末狀的鈮、鑰；
[0026] (4)出爐前，合金液處理階段，加入磷、鍶、鎂及稀土，其中磷以鋁-磷中間合金方 式加入，鍶、鎂、稀土以鋁板包覆方式加入。
[0027] 三、金相組織對(duì)比圖
[0028] 當(dāng)只采用0. 5%磷變質(zhì)硅鋁合金（Si50A150)時(shí)，其典型的微觀組織如圖1所示。 可見其內(nèi)部存在有粗大硅相，硅相尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100微米，這樣的組織不適合于電子封裝 材料應(yīng)用。
[0029] 當(dāng)米用本發(fā)明的某一成分時(shí)，具體為：娃錯(cuò)合金（含有50 %娃、50 %錯(cuò)，表不 為 Si50A150)含量占 93. 35%，添加其他元素含量為：Mg :2· 5%、Cu :L 0%、B :0· 1%、P : 0. 5%、Nb :1. 0%、M〇 :1. 0%、Sr :0. 5%、Re :0. 05%時(shí)，獲得了如圖2所示的典型微觀組織。 組織中硅相尺寸大大降低到100微米以下。這樣的組織可以滿足電子封裝材料的需要。
【具體實(shí)施方式】 [0030] 二：本實(shí)施方式與一不同的是，所述配方為： Si60A140 ：89. 55%, Mg ：3. 0%, Cu ：1. 5%, B ：1. 2%, P ：0. 3%, Nb ：2. 0%, Mo ：1. 5%, Sr ： 0· 8%、Re :0· 15%。
[0031 ] 【具體實(shí)施方式】三：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，所述配方為： Si70A130 ：85. 8%, Mg ：1. 5 %, Cu ：3. 5 %, B ：0. 6 %, P ：0. 8 %, Nb ：3. 5%, Mo ：4. 0%, Sr ： 0· 2%、Re :0· 1%。
【權(quán)利要求】
1. 一種適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分，其特征在于所述合 金成分由以下合金兀素組合而成（質(zhì)量百分比）：娃錯(cuò)合金：85?95%，磷：0. 3?0. 9%， 鍶：0· 3 ?0· 9%，硼：0· 1 ?1. 5%，鎂：1· 0 ?3. 5%，銅：1· 0 ?5. 0%，鈮：0· 5 ?5. 0%， 鑰：0· 5 ?5. 0%，稀土 ：0· 02 ?0· 2%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分， 其特征在于所述硅鋁合金中，硅：50?70wt. %，鋁：30?50wt. %。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分， 其特征在于所述硅鋁合金合金成分由以下合金元素組合而成（質(zhì)量百分比）：Si50A150 : 93. 35%, Mg ：2. 5%, Cu ：1. 0%, B ：0. 1%, P ：0. 5%, Nb ：1. 0%, Mo ：1. 0%, Sr ：0. 5%, Re ： 0· 05%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分， 其特征在于所述硅鋁合金合金成分由以下合金元素組合而成（質(zhì)量百分比）：Si60A140 : 89. 55%, Mg ：3. 0%, Cu ：1. 5%, B ：1. 2%, P ：0. 3%, Nb ：2. 0%, Mo ：1. 5%, Sr ：0. 8%, Re ： 0· 15%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合于熔煉鑄造法生產(chǎn)硅鋁合金電子封裝材料的合金成分， 其特征在于所述硅鋁合金合金成分由以下合金元素組合而成（質(zhì)量百分比）：Si70A130 : 85. 8%, Mg ：1. 5%, Cu ：3. 5%, B ：0. 6%, P ：0. 8%, Nb ：3. 5%, Mo ：4. 0%, Sr ：0. 2%, Re ： 0· 1%。
【文檔編號(hào)】C22C30/02GK104141086SQ201410383758
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】邢大偉 申請(qǐng)人:邢大偉