一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法
2023-04-24 06:32:16 1
一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法
【專利摘要】一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，先對碳化矽顆粒（SiCp）表面進行粗化、敏化、活性、解膠及烘乾五步預處理，再用5～12.5 g/l的硫酸銅、10～20g/l的EDTA、5～15g/l的酒石酸鉀鈉、體積分數1.2～1.5%的甲醛及體積分數0.7～0.9%的甲醇的鍍液，在pH值11～12.5、35～47℃的條件下，對SiCp表面鍍銅，再採用無壓滲透法製備SiCp體積分數為50～55%的鋁基複合材料。本發明工藝簡便可靠、環保，製得的SiCp/Al複合材料的比強度和比剛度高、耐磨性好、熱膨脹係數低，且導熱率有極大提高，能很好解決電子封裝材料存在的溫度過高導致電子元件失效的問題。
【專利說明】一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種金屬基複合材料的製備，具體地說是一種用於電子封裝的碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，該方法屬於金屬材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]碳化矽增強鋁基複合材料(SiCp/Al)是一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料，同時具有金屬和陶瓷兩者的優異性能。SiCp/Al的主要優點是具有高的比強度、比剛度、耐磨、低膨脹、高導熱，並且已被廣泛地應用到了許多不同領域中。由於其高耐磨性，SiCp/Al複合材料在汽車工業中被用於汽車制動盤、剎車轉子、發動機活塞等的製造；由於高的比強度和比剛度，其在航天航空領域被用於飛機和飛彈零件用薄板材、鍛件的製作。此外，由於SiCp/Al複合材料既具有金屬的導熱性能，又兼具陶瓷低熱膨脹的特點，也使其在電子封裝領域具有巨大的應用前景。但是隨著微電子技術的發展，集成電路(IC)的集成度越來越高，尺寸微小的元件在單位面積上的發熱量增多。目前30%的晶片不能正常發揮其性能就是由於封裝材料不能進行有效的散熱造成的。所以高導熱是新型封裝材料研發的必備條件。
[0003]作為新型封裝材料，SiCp/Al複合材料的研究已經取得了長足的進步，但為了適應高效散熱的要求還需要進一步的發展。SiCp/Al複合材料的熱性能影響因素很多，如基體材料的組分、與增強體間的界面以及製備工藝等。其中界面的影響最難控制，對金屬基複合材料而言，金屬是電子導熱機制，非金屬是聲子導熱機制，聲子(非金屬)和電子(金屬)在界面處交換能量時，電子將能量轉移至聲子，然後發生界面處的聲子-聲子耦合，每種耦合都會發生熱量衰減，這也是界面熱阻的主要來源。
[0004]SiCp/Al複合材料的界面類型影響因素很多，SiCp顆粒表面性質以及複合材料製備工藝都會對其界面結構產生影響。SiCp與鋁液間潤溼性很差，而且常會發生劇烈反應，生成脆性化合物Al4C3,影響界面的穩定性。國內外學者為改善金屬基體與增強體顆粒間的浸潤性、控制界面反應以形成最佳的界面結構、較好的顆粒分散，做了大量的工作。對SiCp顆粒表面改性是一種有效的方法，主要實施工藝有=SiCp表面鍍銅，鍍鎳、表面預氧化以及表面塗覆K2ZrF6等等。此外製備工藝的優化也有助於複合材料界面性能的提高。目前製備SiCp/Al複合材料的工藝主要有:粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法和壓力熔滲法以及無壓熔滲法。無壓熔滲法能夠較好地實現近淨成形，且工藝簡單，成本較低，是目前應用得較多的製備工藝。
[0005]如何實現SiCp顆粒表面改性以及複合材料製備的工藝的優化，對複合材料熱導率性能的提高，促進電子設備的發展、集成電路的改進具有十分重大的意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，以解決目前電子封裝產品存在的由於過熱而引起的失效問題。
[0007]本發明一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法包括SiCp顆粒表面預處理、SiCp顆粒表面鍍銅以及SiCp/Al複合材料的製備三個工序:
(1) SiCp顆粒表面預處理工序
包括粗化、敏化、活化、解膠、烘乾5個步驟，粗化採用體積分數為20%的HF酸的水溶液對SiCp顆粒表面酸洗，解膠採用次磷酸鹽溶液清洗SiCp顆粒表面，再用蒸餾水洗淨至中性；敏化液配方為:氯化亞錫15?20g/l、38%濃鹽酸體積分數3?6%，溶劑為蒸餾水；活化溶液配方為:硝酸銀4?6g/l，氨水調節溶液至澄清，溶劑為蒸餾水。
[0008](2) SiCp顆粒表面鍍銅工序
鍍液配方為:硫酸銅5?12.5 g/l、EDTA為10?20g/l、酒石酸鉀鈉5?15g/l、甲醛體積分數1.2%?1.5%以及甲醇體積分數0.7?0.9% ;施鍍工藝參數為:鍍液pH維持11?12.5、溫度 35 ?47Vo
[0009](3) SiCp/Al複合材料的製備工序
加熱爐內，鍍銅SiCp、鋁塊在氬氣保護條件下，採取分段加熱至110(TC，保溫60?70min後自然冷卻，得到SiCp體積分數為50%_55%的鋁基複合材料。
[0010]所述的SiCp顆粒為純度大於98%、粒度100?200 μ m的a_SiC，鋁塊為鋁鎂矽系
1=1Ο
[0011]所述的分段加熱為:鍍銅SiCp、鋁塊首先加熱到200°C，保溫20-25min，然後升溫到400-500°C，保溫15-20min，再升溫到600-800°C，保溫25min，最後升溫到1100°C。
[0012]所述的SiCp顆粒表面鍍銅工序採取超聲波或機械攪拌輔助電鍍。
[0013]本發明的優異效果是:在碳化矽表面塗覆了一層銅，很好地改善了增強顆粒與鋁基體間的潤溼性。複合材料在結合的過程中銅和鋁相互浸潤反應，在界面形成了單一、潔淨的界面相A1Cu2，界面間的結合變得更為緊密。本發明製得的的複合材料SiCp分布均勻，組織緻密，存在極少微小的孔洞和缺陷，熱導率可達到200 W.πΓ1.Κ—1以上，遠大於其它界面過渡層，能很好解決目前電子封裝產品存在的由於過熱而引起的失效問題，極大地提高了其在電子封裝領域的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明工藝流程圖；
圖2為本發明中化學鍍裝置說明圖；
圖中標號:1、固定裝置；2、攪拌杆；3、水；4、鍍液和SiCp ;5、固定杆；6、超聲波裝置。
【具體實施方式】
[0015]實施實例1
(1)選用顆粒度都在100 μ m左右的SiCp顆粒作為原料。首先對SiCp顆粒進行粗化處理，用體積分數為20%的HF酸的水溶液對顆粒表面酸洗；然後進行敏化處理，敏化液配方為:氯化亞錫20g/l、38%濃鹽酸體積分數4%，溶劑為蒸餾水。以配製500ml敏化液為例，將10g的氯化亞錫加入到20ml的37%濃鹽酸，然後再加入到蒸餾水中稀釋，並不斷攪拌得到澄清溶液。敏化液配製完成後加入粗化後的SiCp顆粒，並攪拌lOmin。接著進行活化處理，活化溶液配方為:5g/l硝酸銀，適量氨水(調節溶液至澄清)，溶劑為蒸餾水。以配製100ml活化液為例，在適量蒸餾水中溶解0.5g硝酸銀，然後逐步滴加氨水直至得到澄清的溶液，活化液配製完成後加入敏化過的SiCp顆粒進行活化處理。最後解膠並烘乾，先用次磷酸鈉清洗SiCp顆粒表面，然後用蒸餾水洗淨至中性，最後放入真空乾燥箱中加熱乾燥，至顆粒不出現團聚。
[0016](2)化學鍍銅鍍液的配製。其鍍液配方為:EDTA (乙二胺四乙酸)10g/l、酒石酸鉀鈉5 g/Ι、硫酸銅7.5 g/Ι、甲醛體積分數1.2%以及甲醇體積分數0.8%。以配製100ml鍍液為例，首先在一定蒸餾水中加入7.5g的硫酸銅，並使之溶解直至溶液變為淺藍色，得到溶液I ;然後再在適量蒸餾水中加入1gEDTA和5g酒石酸鉀鈉，並不斷地攪拌得到澄清的溶液2 ;接著在機械攪拌的作用下，將溶液2加入淺藍色溶液I中，得到淺色溶液3 ;最後將12ml甲醛和8ml甲醛依次緩慢地加入溶液3中，並滴入氫氧化鈉使鍍液pH值穩定在8左右，不斷攪拌，直至得到澄清溶液。
[0017](3)對預處理後的SiCp顆粒進行表面化學鍍銅。首先調節化學鍍裝置水浴溫度400C，將前處理後的碳化矽顆粒放入鍍液中去，適當地施加以攪拌；然後用氫氧化鈉溶液調節將溶液PH維持12左右，並不斷攪拌；一段時間後，鍍液中開始有少量氫氣逸出，鍍層開始，此時不斷地往鍍液中滴加氫氧化鈉，使鍍液PH值保持穩定；隨著反應的進行，大量的氣泡產生，溶液的顏色開始由淺藍色逐漸的變淡，反應完成時鍍液變得澄清，且綠色的碳化矽變成紅色；鍍銅完成後，用去離子水衝洗複合顆粒至中性，然後放入真空乾燥箱中進行乾燥，使顆粒良好分散。
[0018](4)採用無壓滲透法製備SiCp/Al複合材料。先在陶瓷坩堝中放入體積分數為50%的鍍銅SiCp，在其上放上相應量的鋁塊，再推入到加熱爐的恆溫區，並通入氮氣保護。然後開啟加熱爐，首先加熱到200°C，並保溫25min，然後升溫到400°C並保溫20min，後升溫到600°C並保溫15min，再升溫到800°C並保溫25min，最後升溫到1100°C保溫60min後自然冷卻，得到SiCp體積分數為50%的鋁基複合材料。
[0019](5)本工藝製備出的複合材料採用德國耐馳公司生產的雷射閃射熱導率測試儀進行熱導率的測試。測試結果顯示該複合材料的熱導率可達到到205 W^nT1 ^IT1,遠大於一般電子封裝材料的熱導率。
[0020]實施實例2
(I)選用顆粒度都在150 μ m左右的SiCp顆粒作為原料並對其預處理。首先對SiCp顆粒進行粗化處理，用體積分數為20%的HF酸的水溶液對顆粒表面酸洗；然後進行敏化處理，敏化液配方為:氯化亞錫15g/l、38%濃鹽酸體積分數6%，溶劑為蒸餾水。以配製500ml敏化液為例，將7.5g的氯化亞錫加入到30ml的37%濃鹽酸，然後再加入到蒸餾水中稀釋，並不斷攪拌得到澄清溶液。敏化液配製完成後加入粗化後的SiCp顆粒，並攪拌12min。接著進行活化處理，活化溶液配方為:6g/l硝酸銀，適量氨水(調節溶液至澄清)，溶劑為蒸餾水。以配製10ml活化液為例，在適量蒸餾水中溶解0.6g硝酸銀，然後逐步滴加氨水直至得到澄清的溶液，活化液配製完成後加入敏化過的SiCp顆粒進行活化處理。最後解膠並烘乾，先用次磷酸鈉鹽清洗SiCp顆粒表面，然後用蒸餾水洗淨至中性，後放入真空乾燥箱中加熱乾燥，至顆粒不出現團聚。
[0021](2)對預處理後的SiCp顆粒進行表面化學鍍銅。其鍍液配方為:EDTA(乙二胺四乙酸)20g/l、酒石酸鉀鈉15g/l、硫酸銅10 g/Ι、甲醛體積分數1.5%以及甲醇體積分數0.9%。以配製100ml鍍液為例，首先在一定蒸餾水中加入1g的硫酸銅，並使之溶解直至溶液變為淺藍色，得到溶液1 ;然後再在適量蒸餾水中加入20gEDTA和15g酒石酸鉀鈉，並不斷地超聲波振動得到澄清的溶液2 ;接著在機械攪拌的作用下，將溶液2加入淺藍色溶液1中，得到淺色溶液3 ;最後將15ml甲醛和9ml甲醛依次緩慢地加入溶液3中，並滴入氫氧化鈉使鍍液pH值穩定在8左右，不斷超聲波振動，直至得到澄清溶液。
[0022](3)對預處理後的SiCp顆粒進行表面化學鍍銅。首先調節化學鍍裝置水浴溫度45°C，將前處理後的碳化矽顆粒放入鍍液中去，適當地施加以超聲波振動；然後用氫氧化鈉溶液調節將溶液pH維持11左右，並不斷攪拌；一段時間後，鍍液中開始有少量氫氣逸出，鍍層開始，此時不斷地往鍍液中滴加氫氧化鈉，使鍍液pH值保持穩定；隨著反應的進行，大量的氣泡產生，溶液的顏色開始由淺藍色逐漸的變淡，反應完成時鍍液變得澄清，且綠色的碳化矽變成紅色；鍍銅完成後，用去離子水衝洗複合顆粒至中性，後放入真空乾燥箱中進行乾燥，使顆粒良好分散。
[0023](4)採用無壓滲透法製備SiCp/Al複合材料。先在陶瓷坩堝中放入體積分數為55%的鍍銅SiCp，在其上放上相應量的鋁塊，再推入到加熱爐的恆溫區，並通入氬氣保護。然後開啟加熱爐，首先加熱到200°C，並保溫20min，然後升溫到500°C並保溫15min，再升溫到800°C並保溫25min，最後升溫到1100°C保溫70min後自然冷卻，得到SiCp體積分數為55%的鋁基複合材料。
[0024](5)本工藝製備出的複合材料採用德國耐馳公司生產的雷射閃射熱導率測試儀進行熱導率的測試。測試結果顯示該複合材料的熱導率可達到202 W.πΓ1.Γ1，遠大於一般電子封裝材料的熱導率。
【權利要求】
1.一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於:製備方法包括SiCp顆粒表面預處理、SiCp顆粒表面鍍銅以及SiCp/Al複合材料的製備三個工序: (1)SiCp顆粒表面預處理工序 包括粗化、敏化、活化、解膠、烘乾5個步驟，粗化採用體積分數為20%的HF酸的水溶液對SiCp顆粒表面酸洗，解膠採用次磷酸鹽溶液清洗SiCp顆粒表面，再用蒸餾水洗淨至中性；敏化液配方為:氯化亞錫15?20g/l、38%濃鹽酸體積分數3?6%，溶劑為蒸餾水；活化溶液配方為:硝酸銀4?6g/l，氨水調節溶液至澄清，溶劑為蒸餾水； (2)SiCp顆粒表面鍍銅工序 鍍液配方為:硫酸銅5?12.5 g/l、EDTA為10?20g/l、酒石酸鉀鈉5?15g/l、甲醛體積分數1.2%?1.5%以及甲醇體積分數0.7?0.9% ;施鍍工藝參數為:鍍液pH維持11?12.5、溫度 35 ?47 0C ； (3)SiCp/Al複合材料的製備工序 加熱爐內，鍍銅SiCp、鋁塊在氬氣保護條件下，採取分段加熱至110(TC，保溫60?70min後自然冷卻，得到SiCp體積分數為50%_55%的鋁基複合材料。
2.根據權利要求1所述的一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於:所述的SiCp顆粒為純度大於98%、粒度100?200 μ m的a_SiC，鋁塊為鋁鎂矽系合金。
3.根據權利要求1所述的一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於:所述的分段加熱為:鍍銅SiCp、鋁塊首先加熱到200°C，保溫20-25min，然後升溫到400-500°C，保溫 15-20min，再升溫到 600-800°C，保溫 25min，最後升溫到 1100°C。
4.根據權利要求1所述的一種電子封裝用碳化矽增強鋁基複合材料的製備方法，其特徵在於:所述的SiCp顆粒表面鍍銅工序採取超聲波或機械攪拌輔助電鍍。
【文檔編號】C22C1/10GK104451240SQ201410838586
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月30日 優先權日:2014年12月30日
【發明者】李多生, 郜友彬, 周賢良, 左敦穩, 華小珍, 俞應煒, 鄒愛華, 葉志國, 董應虎, 陳慶軍 申請人:南昌航空大學