[发明专利]一种铝基复合材料电子封装壳体半固态成形技术

说明书

本发明公开了一种高体积分数铝基复合材料电子封装壳体的半固态成形工艺方法，属于电子封装领域。用电阻炉将低体积分数TiB₂颗粒增强铝基复合材料在685～700℃下进行熔化，保温20～30min，并加以电磁搅拌；将复合材料熔体冷却至半固态温度区间，获得半固态浆料，或直接将合适尺寸大小的复合材料加热至半固态温度区间获得半固态坯料；将电子封装壳体成形腔设计在挤压模具凹模腔底部边缘水平方向；最后将半固态浆料或坯料挤压成形，获得电子封装壳体零件。优点在于，完成了颗粒增强铝基复合材料从原料到成品过程中增强颗粒体积分数由低到高的巧妙转变，实现了电子封装壳体短流程、低成本的近终成形制造，提高了壳体零件的表面质量和力学性能。

技术领域

本发明属于电子封装领域，具体涉及到一种TiB₂颗粒增强铝基复合材料半固态成形技术。

背景技术

随着如今集成电路的集成度迅猛增加，导致芯片的发热量急剧上升，芯片寿命也相应下降了许多。这主要是因为在微电子集成电路和大功率整流器件中，材料之间热膨胀系数的不匹配引起的局部热应力以及散热性能不佳，致使电子元器件发生热疲劳从而失效，而合理的电子封装则是解决这个难题的有效途径。用于封装的壳体一般起着固定、密封、散热和保护芯片的作用，因此制造电子封装壳体的材料需要具备低热膨胀系数、高热导率、高强度和刚度等特点，而且在某些特殊应用领域特别是航空航天领域还要求壳体材料的密度尽可能小，以减轻整体重量。

颗粒增强铝基复合材料是由纯铝或铝合金基体和各类陶瓷颗粒增强相复合而成的，高体积百分比的复合材料既能保留金属良好的导热性又能获得可调的热膨胀系数，同时还能满足电子封装壳体其他性能的需求，因而在电子封装领域有着极大的应用前景，代表着新型轻质封装材料的发展方向。但高体积分数的颗粒增强铝基复合材料也有一些制约其发展的劣势，例如：成本相对较高、二次加工困难(特别是塑性成形)等。因此，开发一种短流程、近终成形且易于控制的材料成形工艺来制造铝基复合材料电子封装壳体将是一项具有挑战性和创造性的工作，并有着极大的理论意义和实用价值。

在20世纪70年代初，美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发了一种介于液态金属铸造和固态金属塑性加工的先进金属成形方法，既半固态加工技术(Semi-SolidProcessing,简称SSP)。Flemings教授的研究表明，在金属凝固时施加剧烈的搅拌，能够抑制晶粒的长大，并使枝晶破碎，从而形成细小、均匀的近球状微观组织，得到一种液态金属母液中悬浮着一定颗粒状固相组分的固液混合浆料，此时半固态浆料具有优良的流变性和触变性。目前研究者们认为半固态枝晶球化行为主要与以下各类机制有关：

(1)枝晶断裂机制。在强力搅拌下产生的切应力使晶粒之间相互碰撞，导致枝晶臂发生断裂(通常断裂处位于枝晶臂根部)，这些断裂的枝晶能够起到促进形核抑制晶粒长大的作用，进而形成许多细小晶粒。随着温度的降低，这些蔷薇状小晶粒逐渐演变为近球状结构。

(2)枝晶熔断机制。由于剧烈搅拌加速了熔体的流动，从而引发热振动和局部热应力，这使得尺寸较长的枝晶臂根部更容易被热流熔断。这是因为枝晶臂根部固相中的溶质质量分数更高从而降低了熔点，同时枝晶臂根部的直径比起其他部位更小一些，所以在热扰动的作用下枝晶臂根部优先发生熔断，被热流带入到熔体中的枝晶碎片将作为晶体形核的基底促使晶粒逐渐转变为近球状。

(3)枝晶弯曲机制。枝晶在流动应力下将发生弯曲，产生位错导致塑性变形。在固相线以上的温度，位错间发生攀移相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差超过20°，且晶粒晶界能超过固液界面能的两倍时，液相将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，从而使枝晶臂与主干分离开。同样，分离的枝晶能起到促进晶粒球化的作用。