[发明专利]一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装生产技术领域，特别是提供了一种用半固态技术制备高Si铝合金封装外壳成形工艺。

背景技术

现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，开发新型高性能结构材料以及其先进加工技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题，这一现象在电子封装领域体现得更为明显。航空航天、电子通信的飞速发展要求电子元器件能够具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量，从而使得电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高，这必然会导致电路发热量提高、工作温度上升，而稳定性下降。据计算，在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2-3倍。目前，电子封装壳体结构件主要通过用粉末注射法(SiC预制坯 + 液态金属熔渗)制备加工。由于该方法存在工艺路线长、加工成本高、气密性差、规模化生产能力弱等缺点，使SiC/铝封装壳体一直未实现实际应用。长期以来探索高性能、特别是具有高热导率和低热膨胀系数特点的薄壁复杂形状封装壳体结构件的短流程、近终型加工技术已成为电子信息行业迫切需要解决的问题。如何找到一种巧妙的成形方法已成为广大科学家和工程师一项极具创造性和挑战性的工作。目前，问题的主要瓶颈是如何制备出新型电子封装材料并提出短流程、近净成形且易于控制的材料成形工艺。

另一方面，为尽快扭转在我国经济建设中占有重要地位的材料加工行业的高能耗、重污染和低性价比，提高产品质量，减轻环境污染，增强其国际竞争力，迫切需要从冶金材料科学发展前沿出发，突破传统的冶金及加工工艺理论和概念，利用高新技术对材料加工及控制技术进行新的工艺探索，实现生产过程的短流程、低能耗和高质量。20世纪70年代初期半固态加工技术的出现无疑为解决上述问题带来了希望。

目前国内外所做的研究工作大部分都是通过采用半固态成形技术加工汽车、摩托车等零件。用于笔记本、手机壳体等为代表的 3C产品主要是镁合金材料。在对半固态压铸时浆料流动行为的研究过程中（固相分数约50%），德国亚琛工业大学（RWTH-Aachen）的半固态研究中心曾专门设计了一个T形状浆料充填装置。根据其研究结果，半固态浆料流动形式可分为紊流、过渡过程和层流（turbulent, transient and laminar）。其根本形式取决于浆料充填速度、凝固过程中的温度和压力，并可使用非牛顿流体的双相模型对半固态浆料流动形式进行模拟。此外还有一个重要的发现：半固态浆料在充填过程中极易产生液相和固相的偏析和分离，其偏析和分离的程度取决于浆料充填速度、凝固过程中的温度和压力。在半固态A356铝合金的浆料充填研究过程中，本专利申请人曾专门设计了不同的模具对浆料的充填状况进行研究，结果发现，半固态浆料在模腔的充填过程中极易产生液相和固相的偏析和分离现象，其严重程度与模具型腔的形状、结构以及浆料充填的速度、温度和压力等有关。

一般认为，半固态成形过程中液相与固相偏析和分离会导致成形件中成份组织分布不均，从而产生组织性能和力学性能分布不均，对使用性能产生不利影响。在高Si铝合金半固态触变挤压成形中，通过对成形件部分区域的显微组织观察发现，Si颗粒分布密度随着半固态浆料充填行程的不断增加呈不断上升的趋势，这与半固态成形中液相流动及分布规律一致。其根本的原因是由于在半固态浆料中Si颗粒主要分布于以b-共晶相存在的液相中的缘故，在随后的半固态挤压成形中Si颗粒随着液相流动到零件的边部或顶部，因而其体积分布规律与液相分数规律一致。这表明，Si颗粒体积分数的提高可以通过对液相分数分布规律进行控制来实现，也就是可用低Si体积分数的铝合金通过半固态挤压成形得到高Si体积分数的电子封装壳体结构件，从而降低热膨胀系数。实现把半固态成形中液相与固相偏析和分离的不利因素转化为制备与成形高Si体积分数电子封装壳体时的有利因素。

此外，高硅铝合金导热性能良好，密度低，约为2.3 ~ 2.5 g/cm³ ，比SiC颗粒增强的铝基复合材料还轻20%左右，原材料来源丰富，成本低廉，易于加工和表面处理（易电镀），且环境友好并可回收再生利用的优点，非常适合在军工和航空航天大功率混合电路元器件封装壳体结构件上使用。