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一種電子封裝材料.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510971823.3

申請日:

2015.12.22

公開號:

CN105463266A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):C22C 21/00申請日:20151222|||公開
IPC分類號: C22C21/00; C22C32/00; C22C29/06; C22C30/00; C22C1/05; B22F3/10 主分類號: C22C21/00
申請人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
發明人: 王旭東; 羅傳彪; 李炯利; 王勝強; 黃粒
地址: 100095北京市海淀區溫泉鎮環山村
優先權:
專利代理機構: 北京安博達知識產權代理有限公司11271 代理人: 徐國文
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510971823.3

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.12.26|||2016.04.06

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種電子封裝材料,由基體和增強體組成,基體包括鋁合金,增強體包括氧化石墨烯和SiC顆粒,按照質量百分比計,氧化石墨烯為0.5%~3%,SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末;鋁合金粉末含50%Al-Si和50%Al-Ti-B合金粉末。采用本發明可制備出密度低于3.1g/cm3,導熱率大于180W/(m·K)的輕質電子封裝材料,從而大幅度提高軍用電子設備的綜合性能,適用于便攜式器件、航空航天和其他對重量敏感領域的軍用功率混合電路,微波管的載體、多芯片組件的熱沉和超大功率模塊封裝材料的生產制備。

權利要求書

1.一種電子封裝材料,由基體和增強體組成,所述基體包括鋁和鋁合金粉末,所述增強
體包括氧化石墨烯和SiC顆粒,其特征在于,按照質量百分比計,所述氧化石墨烯為0.5%~3%,
所述SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末,所述鋁合金粉末含50%Al-Si和50%Al-Ti-B
合金粉末。
2.根據權利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的
含量為30%~50%,所述Al-Ti-B合金粉末中Ti的含量為4%~6%。
3.根據權利要求2所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的
含量為35%~45%,所述Al-Ti-B合金粉末中Ti的含量為4.5%~5.5%。
4.根據權利要求3所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述Al-Si合金粉末中Si的
含量為40%,所述Al-Ti-B合金粉末中Ti的含量為5%。
5.根據權利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述氧化石墨烯為1%~2%,
所述SiC顆粒為40%~60%。
6.根據權利要求1所述的一種電子封裝材料,其特征在于,所述氧化石墨烯為1.5%,所
述SiC顆粒為50%。

說明書

一種電子封裝材料

技術領域

本發明涉及一種封裝材料,具體涉及鋁合金基體,氧化石墨烯和SiC顆粒為增強體的電
子封裝材料。

背景技術

電子封裝材料是指集成電路的密封體,它不僅對芯片具有機械支撐和環境保護作用,使
其避免大氣中的水汽、雜質及各種化學氣氛的污染和侵蝕,從而使集成電路芯片能穩定地發
揮正常電氣功能,封裝材料對電子器件和電路的熱性能乃至可靠性起著舉足輕重的作用。現
在,電了封裝材料行業已成為半導體行業中的一個重要分支,它已經廣泛涉及到化學、電學、
熱力學、機械和工藝設備等多種學科。

作為金屬基復合材料的增強物,SiC顆粒具有高模量、高硬度、低熱膨脹、高熱導率、
來源廣泛和成本低廉等優點。Al合金具有低密度、高熱導率(170-220W/m·K)價格低廉以
及熱加工容易等優點。綜合以上因素,并考慮到電子封裝材料必須具備很低的且與基板匹配
的熱膨脹系數(CTE),高的熱導率,高剛度,低密度,及低成本等特性,將二者復合而成
顆粒增強鋁基復合材料后,材料具有了Al和SiC二者的優點,幾乎代表了理想封裝材料的所
有性能要求,這使得SiC/Al復合材料成為電子封裝用金屬基復合材料中最倍受矚目,潛在應
用最廣的復合材料。

石墨烯是世界上最堅固的材料(楊氏模量1.7TPa),理論比表面積高達2630m2/g,具有良
好的導熱性(5000W/(m.k))和室溫下高速的電子遷移率(200000cm2/(V.s))。同時,其獨特的結構
使其具有完美的量子霍爾效應、獨特的量子隧道效應、雙極電場效應等特殊的性質。由于石
墨烯優異的性能,極大的比表面積和較低的生產成本(相對于碳納米管);石墨烯各碳原子之
間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就會彎曲變形來適應外力,而不必使碳
原子重新排列,這樣就保持了結構的穩定。基于石墨烯這些優良的性能,如果將其添加在金
屬鋁或銅中制成電子封裝材料,將大大提高材料的電導率;石墨烯密度小,得到的復合材料
的密度比金屬基體低;熱膨脹系數小;同時解決電子封裝復合材料中的界面潤濕問題,有利
于降低界面熱阻;易于加工。因此,石墨烯金屬基復合材料對于電子封裝領域有廣闊的應用
前景。

現有的SiC/Al復合材料電子封裝材料主要采用滲浸法制造,其在導熱性能,制造工藝和
焊接性能上均存問題,特別是難以采用我國現有封裝焊接進行焊接,限制了該類材料在我國
有源相控陣雷達上的應用,需要一種新型的封裝材料彌補傳統材料的不足。石墨烯具備極佳
的導熱性,由石墨烯和Al/SiC復合形成的電子封裝材料,不僅保持各自的性能優勢,大幅度
提高了材料的導熱性能,而且在制造工藝和焊接性能有了明顯改善,將有望成為新一代電子
封裝材料。

發明內容

本發明提供一種線膨脹系數可控高導熱可焊電子封裝材料,是通過將一定比例氧化石墨
烯、SiC和鋁合金粉末的進行混合,再經過熱物理燒結制備而成。采用本發明可制備出密度
低于3.1g/cm3,導熱率大于180W/(m·K)的輕質電子封裝材料,從而大幅度提高我國有源相控
陣雷達等軍用電子設備的綜合性能。

為實現上述目的,本發明采用以下技術方案:

一種電子封裝材料,由基體和增強體組成,所述基體包括鋁和鋁合金粉末,所述增強體
包括氧化石墨烯和SiC顆粒,按照質量百分比計,所述氧化石墨烯為0.5%~3%,所述SiC顆
粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末,所述鋁合金粉末含50%Al-Si和50%Al-Ti-B合金粉末。

一種電子封裝材料的第一優選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為30%~50%,所述Al-Ti-B
合金粉末中Ti的含量為4%~6%。

一種電子封裝材料的第二優選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為35%~45%,所述Al-Ti-B
合金粉末中Ti的含量為4.5%~5.5%。

一種電子封裝材料的第三優選方案,Al-Si合金粉末中Si的含量為40%,所述Al-Ti-B合
金粉末中Ti的含量為5%。

一種電子封裝材料的第四優選方案,氧化石墨烯為1%~2%,所述SiC顆粒為40%~60%。

一種電子封裝材料的第五優選方案,氧化石墨烯為1.5%,所述SiC顆粒為50%。

一種電子封裝材料的制備方法包括如下步驟:

(1)制備混合粉末;

(2)制備包套;

(3)物理燒結。

一種電子封裝材料的制備方法的第一優選方案,步驟(1)依次采用濕法混合和干法混合。

一種電子封裝材料的制備方法的第二優選方案,濕法混合時間為4~14h,攪拌速度為10~
30轉/分鐘;所述干法混合時間為4~14h,攪拌速度為10~30轉/分鐘。

一種電子封裝材料的制備方法的第三優選方案,濕法混合時間為10h,攪拌速度為20轉
/分鐘;所述干法混合時間為8h,攪拌速度為20轉/分鐘。

一種電子封裝材料的制備方法的第四優選方案,步驟(2)的材料為LF21鋁合金。

一種電子封裝材料的制備方法的第五優選方案,步驟(3)中物理燒結的壓力為
90MPa~300MPa,溫度為400℃~500℃,時間為30分鐘~2小時。

一種電子封裝材料的制備方法的第六優選方案,壓力為200MPa,溫度為470℃,時間為
1.5小時。

與最接近的現有技術相比,本發明的優異效果如下:

1、材料設計性強,可根據需要制備系列產品。本發明采用粉末冶金方式,可實現材料各
項物理性能,特別是線膨脹系數可根據材料組成進行設計。

2、焊接性能好。本發明制備的電子封裝材料,通過調節SiC顆粒尺寸,鋁合金粉末成分,
以及在材料加入石墨烯材料,使得采用本發明所述制備方法獲得的電子封裝材料不僅具備
SiC/Al基復合電子封裝材料導熱系數高和成本低廉的優點,同時改變了以往SiC/Al基復合電
子封裝材料機加工困難、難以焊接的缺點,使其特別適合目前我國電子工業工藝現狀,對改
善我國有源相控陣雷達等軍用電子器件的可靠性及集成化程度有重要意義,達到國際領先水

3、生產成本低,容易實現工業化制備,同時操作工藝簡便,利于生產控制。因此,本發
明采用低成本的碳化硅顆粒鋁基電子封裝復合材料用于航空航天微波等電子器件及模塊的封
裝殼體或底座,不僅會產生顯著的軍事效益,還將帶來可觀的經濟效益和社會效益。

具體實施方式

下面將結合實施例,對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施
例僅是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技
術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。

按質量分數計,氧化石墨烯為0.5%~3%,SiC顆粒為35%~65%,余量為鋁合金粉末,
所述鋁合金粉末含50%Al-Si和50%Al-Ti-B合金粉末。制備步驟如下:

(1)制備氧化石墨烯的乙醇溶液:將1體積的氧化石墨烯和10體積的乙醇混合并用超
聲分散;

(2)將制備的氧化石墨烯乙醇溶液,SiC顆粒,Al-Si鋁合金粉末加入V型混料設備中
進行濕法混合,混合10小時,轉速20轉/分鐘;

(3)將上述獲得的混合粉末進行烘干,烘干后倒入V型混料設備中進行干法混合,混合
8小時,轉速20轉/分鐘。

(4)采用2mm厚鋁合金制備Φ230mm×200mm包套,總裝粉重量控制在14公斤~15
公斤。

(5)將混合好的粉末裝入包套中,要求粉末振實密度達到大于1.7g/cm3。

(6)將裝好包套的粉末進行物理燒結,壓力為200MPa,溫度470℃,時間1.5小時。

不同成分電子封裝材料主要性能見表1,表中的百分含量均為質量分數。

表1不同成分電子封裝材料主要性能對比


通過表1的數據展示,充分說明經本發明方法制備的電子封裝材料具備低密度、高散熱
系數,線膨脹系數可控和易于焊接的效果。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制,所屬領域的普通技術人員應當
理解,參照上述實施例可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換,這些未脫離本
發明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護范圍之內。

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