一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法技术

本发明专利技术涉及一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法。本发明专利技术所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法包括以下步骤：S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；S5：精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。本发明专利技术通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳，具有良好的可操作性，提高材料利用率和成型效率。率和成型效率。率和成型效率。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法


[0001]本专利技术涉及金属材料和电子封装材料制备
，特别是涉及一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法。

技术介绍

[0002]电子封装壳体材料主要包括铝、铜、铍、Kovar、W
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Cu等合金，其中，铝和铜等金属的热导率较高且易于加工，但是热膨胀系数与芯片主要材料Si和GaAs相差较大，在电子器件工作时，温度的瞬时差异会产生较大的热应力，导致材料劣化甚至失效。铍及铍合金有毒，对人体伤害较大，难以满足电子封装材料对环境友好方面的要求。Kovar合金(Fe
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Co
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Ni合金)、Invar合金(Fe
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Ni合金)、W
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Cu合金和Mo
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Cu合金等是应用比较广泛的电子封装材料，但是铜合金和Mo
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Cu合金的密度较高且刚度较低，对于高集成度和大功率的电子器件，Kovar合金和Nivar合金的热导率较低导致热量不易扩散等缺点，这成为影响其使用效能的重要缺陷。由于存在一些不可避免的问题，如密度大、导热性能差、价格昂贵、对人体有毒等缺点，传统电子封装材料已无法满足现代电子元器件对封装性能和使用性能的要求，比如热膨胀系数匹配、轻量化、气密性封焊等。
[0003]高硅铝合金除了具有优良的机械性能、导热、热膨胀等性能外，还容易实现激光焊接和机加工，成为新一代综合性能优异的金属基电子封装材料。采用高硅铝合金制备的电子封装外壳具有质量轻，热膨胀系数低，热传导性能较好，以及高的强度和刚度，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊，易于精密机加工、无毒等优越性能。随着Si含量升高，高硅铝合金的热膨胀系数逐渐降低，但是合金的脆性明显提高，导致难以机加工成型，同时激光焊接性能显著下降。
[0004]层状材料是一种构成要素(如成分、组织等)和性能在几何空间上非连续变化的新型材料，其在复杂环境下使用时，要比均质材料具有更大的优势。对于电子封装外壳用层状材料，设计的目的是为了获得最佳的材料组分和组成分布，优化其在制备和服役过程中所产生的热应力大小及其分布状况。然而，层状材料的非连续结构也给材料制备和电子封装外壳加工带来很大困难，比如各功能层成分和尺寸的控制、功能层之间的结合性能以及各功能层的微观组织控制。
[0005]专利号为CN113001108A的专利公开了一种高硅铝合金电子封装壳体及其制造方法，具体地通过喷射沉积法逐层制备出高硅铝合金梯度材料锭坯，致密化处理，切割锭坯形成电子封装壳体结构，退火处理后得到成品。此方法，功能层厚度和平直性控制难度大，并且需要对锭坯切割加工成凹槽状的电子封装外壳结构，加工量大，材料利用率低。
[0006]专利号为CN109706353B的专利公开了一种铝硅梯度材料及其选区激光熔化成型方法，具体的采用选区激光熔化技术，将铝硅合金粉末铺设于成型缸表面，通过激光烧结完成一层二维图形的打印，之后调整已打印层的高度，保持打印层和工作台的上表面在同一水平面，然后进行后一层二维图形的打印，如此重复直至完成整个铝硅梯度材料的打印成型，但50％～70％Si含量的高硅铝合金热匹配层的激光熔化成型性能差，成型质量较低。

技术实现思路

[0007]基于此，本专利技术提供一种梯度结构电子封装外壳及其制备加工方法，通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳，该制备方法具有良好的可操作性，可以有效提高材料利用率和成型效率。
[0008]一种梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，包括以下步骤
[0009]S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；
[0010]S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；
[0011]S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；
[0012]S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；
[0013]S5：将步骤S4得到地梯度结构电子封装外壳粗坯进行精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。
[0014]本专利技术通过喷射沉积的快速凝固过程有效控制热匹配层高硅铝合金中Si相尺寸和形貌，结合增材制造方法直接成型电子封装外壳侧壁和壳内凸台，获得梯度结构电子封装外壳。
[0015]喷射沉积的快速凝固过程能够有效细化高硅铝合金中Si相尺寸并控制其形貌，结合热等静压能够实现锭坯的致密化，预先成型高硅铝合金板材作为热匹配层，有利于控制其厚度和平整度，减少甚至避免脆性高硅铝合金的加工，同时提高层状结构的可控性和精度，具有良好的可操作性。封焊层采用低硅合金可以确保良好的机加工和激光焊接性能，同时也具有良好的增材制造成型性，直接采用增材制造方法成型可以获得近终形状的外壳侧壁和壳内凸台，减少后续加工量，提高材料利用率和成型效率。
[0016]进一步地，步骤S1中，高硅铝合金锭坯中Si含量为50％～70％，其热膨胀系数小于12
×
10
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6/K，热导率大于100W/mK，抗拉强度大于110MPa，抗弯强度大于150MPa，其性能满足热匹配层的性能要求。
[0017]进一步地，步骤S1中，所述高硅铝合金锭坯的尺寸不小于致密度不低于99.5％。确保不同部位组织的均一性。
[0018]进一步地，步骤S2中，高硅铝合金锭坯加工方法包括以下步骤：
[0019]A1：采用线切割取料，表面磨削得到所需尺寸的高硅铝合金板材；
[0020]A2：将步骤A1得到的高硅铝合金板材进行超声波清洗，并在60～80℃下干燥2～6h，得到热匹配层。
[0021]表面磨削后的高硅铝合金板材的尺寸为电子封装外壳热匹配层的尺寸，后续基本上不需要对高硅铝合金进行精密加工，减少甚至避免脆性高硅铝合金的精密加工。超声波清洗，除去加工和磨削残留在表面的杂质，一遍进行下一步侧壁的制备。
[0022]进一步地，步骤S3中，堆积制备外壳侧壁和壳内凸台前，还包括对所述热匹配层进行预热，预热温度为400～500℃，保护气体为氩气。预热可以促进增材制造低硅合金层与高硅合金层形成良好的界面结合，防止由于热膨胀不匹配产生应力而出现界面开裂。
[0023]进一步地，步骤S3中，制备的外壳侧壁和壳内凸台留0.2～0.5mm的加工余量。
[0024]进一步地，步骤S3中，所述外壳侧壁和壳内凸台中Si含量为12％～50％。
[0025]进一步地，步骤S4中所述加热加压处理包括以下步骤：
[0026]B1：通过机加工将梯度结构电子封装外壳粗坯的上下表面加工成平整表面；
[0027]B2：将步骤B2中加工后的梯度结构电子封装外壳粗坯置于平整的不锈钢板之间，加热，加压，保温，保温结束后随炉冷却至50℃以下，去除施加的压力和不锈钢板。
[0028]所述上下表面分别为热匹配层的底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：包括以下步骤S1：采用喷射沉积和热等静压制备高硅铝合金锭坯；S2：将高硅铝合金锭坯加工后得到所需尺寸的板材作为热匹配层；S3：采用增材制造方法在热匹配层上堆积制备外壳侧壁和壳内凸台，得到梯度结构电子封装外壳粗坯；S4：梯度结构电子封装外壳粗坯进行加热加压处理；S5：将步骤S4得到地梯度结构电子封装外壳粗坯进行精密加工后得到梯度结构电子封装外壳。2.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S1中，高硅铝合金锭坯中Si含量为50％～70％。3.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S1中，所述高硅铝合金锭坯的尺寸不小于致密度不低于99.5％。4.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其特征在于：步骤S2中，高硅铝合金锭坯加工方法包括以下步骤：A1：采用线切割取料，表面磨削得到所需尺寸的高硅铝合金板材；A2：将步骤A1得到的高硅铝合金板材进行超声波清洗，并在60～80℃下干燥2～6h，得到热匹配层。5.根据权利要求1所述的梯度结构电子封装外壳的制备加工方法，其...

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