一種金屬基電子封裝薄壁零件順序加載模鍛成形的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬基電子封裝薄壁零件順序加載模鍛成形的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，制備高增強(qiáng)相含量的金屬基基復(fù)合材料吸引全世界范圍內(nèi)材料工作者的注意。與傳統(tǒng)的金屬和合金相比，高增強(qiáng)相含量的金屬基基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比彈性模量、低膨脹、高導(dǎo)熱，原材料價格不到鎢銅合金的1/10，重量也不及其1/5，而且性能可任意剪裁等一系列優(yōu)點。例如它可以同時具有高彈性模量(可超過200GPa，與鋼材相當(dāng))、超高的比模量(接近鋁合金、鈦合金的3倍)和很高的熱導(dǎo)率、極低的熱膨脹系數(shù)(可與陶瓷相當(dāng))。因此，目前高體分率的SiC/Al金屬基復(fù)合材料已經(jīng)成為電子封裝第三代的代表。
[0003]國外高增強(qiáng)相含量的金屬基基復(fù)合材料電子封裝材料經(jīng)過十多年的研究和發(fā)展已經(jīng)開始從試驗階段步入實用階段，主要應(yīng)用于軍用電子產(chǎn)品，包括軍用混合電路(HIC)、微波管的載體、多芯片組(MCM)的熱沉和超大功率模塊(IGBT)的封裝均取得較好的效果。在高性能飛機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)中使用SiCp/Al復(fù)合材料封裝后，電路的體積和重量大幅度減小，并提高了可靠性。美國在多個軍事工程，特別是航空航天中已規(guī)?；褂眠@種SiC/Al復(fù)合材料，例如在F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)上，大量采用該材料作為印刷電路板板芯，電子設(shè)備基座及外殼。另外，應(yīng)用該材料的先進(jìn)航空航天器還包括F-19 “大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)，EA-6B “徘徊者”電子戰(zhàn)飛機(jī)，以及用作反射鏡及其框架的空間望遠(yuǎn)鏡等。由于高SiC含量的鋁基復(fù)合材料集優(yōu)異的承載功能、卓越的熱控功能、乃至獨特的抗共振功能于一身，因此在航空航天領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。例如，用該材料替代鋁合金或鈦合金用于航空航天光電探測結(jié)構(gòu)，可顯著提高平臺在力、熱負(fù)荷作用下的精度穩(wěn)定性；替代鎢銅、鋁銅專用封裝合金用于航空航天電子元器件，可實現(xiàn)相應(yīng)元件減重70?80%，整部電子裝備減重可達(dá)百公斤級。
[0004]目前生產(chǎn)高增強(qiáng)相含量的金屬基基復(fù)合材料以SiC/Al復(fù)合材料為例的方法主要有粉末冶金法、噴霧沉積法、攪拌鑄造法、壓力熔滲法等、無壓滲透法。
[0005]I粉末冶金法
[0006]粉末冶金法制備SiC/Al復(fù)合材料是先將SiC，鋁粉和成形劑混合后壓制成形，經(jīng)過脫脂、燒結(jié)成成品。粉末冶金法的最大優(yōu)點在于成分的自由度寬，這種方法可以很好地控制復(fù)合材料的成分，從理論上講是可以任意的配比；由于成型溫度低于基體合金的熔點，金屬基體與增強(qiáng)體的界面反應(yīng)少，減少了界面反應(yīng)對材料性能的不利影響dfSiC/Al復(fù)合材料而言，不易出現(xiàn)偏聚或偏析現(xiàn)象，可以降低增強(qiáng)材料與基體相互潤濕的要求。但國內(nèi)外學(xué)者用粉末冶金法來制備SiC/Al復(fù)合材料的不多。其原因是燒結(jié)過程不易控制，造成材料中孔隙多，而且在后續(xù)處理過程也不易消除，工業(yè)化成本較高。另外，粉末冶金法對SiC的加入量也有一定的限制，一般不超過55% volSiC含量低的鋁基復(fù)合材料難以滿足電子封裝的要求；同時粉末冶金法難以實現(xiàn)復(fù)雜部件的近凈成形；但粉末冶金法生產(chǎn)SiC/Al復(fù)合材料的前景十分廣闊，很值得探索。
[0007]2噴射沉積法
[0008]噴射沉積法是20世紀(jì)80年代由ospray公司開發(fā)的一種制備金屬基復(fù)合材料的方法。此工藝是在坩禍底部開一個小孔，當(dāng)熔融金屬鋁液流出后，將顆粒增強(qiáng)相加入液流中，然后用高速惰性氣體將基體與顆粒混和物分散成細(xì)液滴使其霧化，顆粒及霧化流噴射到基底上共同沉積成金屬復(fù)合材料。由于增強(qiáng)體粒子在氣流推動下高速射人熔體，所以對界面的潤濕性要求不高，還可以消除顆粒偏析等不良組織"而且增強(qiáng)相與基體熔液接觸時間短，因此二者之間的反應(yīng)易于控制，且適用于多種增強(qiáng)相沉積的復(fù)合材料，相對密度達(dá)到95%-98%,需進(jìn)行二次加工以實現(xiàn)完全致密化。由于噴粉和材料復(fù)合一步完成，工藝流程短，工序簡單，效率高，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。缺點是成本較高，沉積速度較慢。
[0009]3熔滲法
[0010]熔滲法是SiC/Al電子封裝復(fù)合材料制備的一個主要工藝，根據(jù)熔滲過程中是否施壓分為壓力熔滲和無壓熔滲。
[0011]首先把SiC制成預(yù)制塊，讓鋁或鋁合金液在壓力作用下滲入到預(yù)制塊內(nèi)制成復(fù)合材料。將SiC與水及粘結(jié)劑充分?jǐn)嚢杌旌虾蠓湃肽＞邇?nèi)加壓至5MPa，隨后在80°C恒溫箱內(nèi)烘48h出模，獲得具有一定孔隙度的預(yù)制塊。壓鑄模和預(yù)制塊預(yù)熱至500°C，鋁液加熱至800°C澆注，然后立即加壓使鋁液滲入預(yù)制塊，在125MPa的壓力下保壓3min，除去壓力待其自然冷卻后出模。另一種方法是向預(yù)熱的750°C模具中加入800°C的Si，C顆粒后，在50MPa的壓力下保扭30s，使鋁液滲入，再在1100°C鍛燒4h，制得SiC體積分?jǐn)?shù)為50% -71%的鋁基復(fù)合材料。該工藝制備復(fù)合材料工藝難度相對較大，主要是制備SiC粉末預(yù)成形坯塊比較困難，強(qiáng)度不高，預(yù)制塊在壓滲過程中易崩潰。該工藝中預(yù)制件的預(yù)熱溫度，鋁合金液的滲入溫度、壓力大小、冷卻速度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。該法施加壓力可以較大，生產(chǎn)時間短，滲透可以在幾分鐘內(nèi)完成，工藝的穩(wěn)定性好。缺點就是需要高壓設(shè)備及密封良好的耐高壓的模具，所以生產(chǎn)費用較高，在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，特別是小的薄壁電子封裝構(gòu)件方面限制很大。
[0012]無壓滲透法是一種生產(chǎn)具有高體積分?jǐn)?shù)的電子封裝復(fù)合材料材料的有效方法，該工藝是在80年代末90年代初由美國Lanxide公司研制的一種新型復(fù)合材料成型工藝。隨著工藝的不斷發(fā)展，己能實現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)MMC的凈成型。這種工藝使用的基體合金均為Al-Mg合金，當(dāng)使用SiC作為增強(qiáng)體時往往還加人一定量的Si以減少Al/SiC之間的界面反應(yīng)。在一定溫度下(>800°C)，基體合金中的Mg緩慢揮發(fā)擴(kuò)散至陶瓷素坯中，與作為保護(hù)氣氛的氮氣發(fā)生反應(yīng)，而在粉體的表面生成氮化鎂，液態(tài)鋁與表面的氮化鎂相接觸，通過一系列的化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)鋁液的浸滲，并最終實現(xiàn)了無壓浸滲。其生產(chǎn)過程為:先把基體合金鑄錠放入到預(yù)制件上面，通入含有N2的可控氣氛，加熱直到合金熔化自發(fā)滲入到預(yù)制件中。由于該工藝無需特殊的真空或壓力設(shè)備，工藝簡單，成本低廉，陶瓷增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)高，復(fù)合材料性能優(yōu)良，以及近凈成型加工等特點，近幾年受到國內(nèi)外廣泛重視。
[0013]從上面國內(nèi)外研究的情況可以看出，目前國內(nèi)外關(guān)于電子封裝的研究主要針對電子封裝材料的研究，主要的工序:1、制備符合要求的電子封裝材料；2、對此電子封裝材料進(jìn)行機(jī)械加工，制備復(fù)合零件尺寸結(jié)構(gòu)形狀的零件；3、將經(jīng)機(jī)械加工后的電子封裝零件與蓋板材料進(jìn)行焊接。但是，此過程中容易出現(xiàn)以下問題:機(jī)械加工困難，無法實現(xiàn)近凈成形。由于電子封裝零件中一般是含有陶磁顆粒較多的50vol %的金屬基復(fù)合材料，此種材料的特點是較脆且硬度高、耐磨性能高，所以難以加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子封裝零件，且零件的某些部位較薄，厚度僅有1_，所以機(jī)械加工成本高。那么針對薄壁部位無論是直接通過上述哪種工藝都是十分困難的，只能采用機(jī)械加工的方法。但是對于如此薄的零件，即使通過機(jī)械加工業(yè)很難加工出來，因而成本非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種金屬基電子封裝薄壁零件順序加載模鍛成形的方法，以解決現(xiàn)有利用高增強(qiáng)相含量的金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)薄壁零件的方法存在步驟繁瑣，機(jī)械加工困難、無法實現(xiàn)近凈成形，同時現(xiàn)有方法導(dǎo)致廢品率高、機(jī)械加工成本高問題。
[0015]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:
[0016]—種金屬基電子封裝薄壁零件順序加載模鍛成形的方法，所述方法包括以下步驟:
[0017]步驟一:首先制備出增強(qiáng)相含量的金屬基復(fù)合材料坯料；
[0018]步驟二:其次將步驟一制備出的金屬基復(fù)合材料坯料置于專用模具中的模腔內(nèi)，使該金屬基復(fù)合材料坯料處于模腔內(nèi)的多個模芯上，將該金屬基復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱，控制該金屬基復(fù)合材料坯料的溫度在450°C?650°C之間，該金屬基復(fù)合材料坯料軟化在其所在的模腔中；
[0019]步驟三:再次將專用模具中的組合上模放置在模腔中并與金屬基復(fù)合材料坯料間隙設(shè)置，對組合上模中的多個主壓塊施加預(yù)壓力，使多個主壓塊均下降直至貼緊在金屬基復(fù)合材料坯料上，對多個主壓塊同時施加壓力F1，使金屬基復(fù)合材料坯料被擠壓變形，金屬基復(fù)合材料坯料的上表面被擠壓進(jìn)入主壓塊和副壓塊之間的間隙內(nèi)形成多個上凸起，同時金屬基復(fù)合材料坯料的下表面被擠壓進(jìn)入模腔和模芯之間的間隙內(nèi)形成多個下凸起；
[0020]步驟四:然后對組合上模中的多個副壓塊同時施加壓力F2，多個副壓塊下降直至與主壓塊處于同一平面上，使金屬基復(fù)合材料坯料上表面的每個上凸起被擠壓直至每個下凸起填滿在模腔和模芯之間的間隙內(nèi)為止，使金屬基復(fù)合材料坯料形成電子封裝零件；
[0021]步驟五:最后卸載專用模具上的壓力，從專用模具中取出電子封裝零件。
[0022]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]1、本發(fā)明操作步驟合理簡單，通過一次成形模鍛制備出具有薄壁的金屬基電子封裝零件，無需后期機(jī)械加工或者少機(jī)械加工，從而實現(xiàn)近凈成型；加工成本僅為提供具體數(shù)據(jù)，避免復(fù)雜的機(jī)械加工的高成本。
[0024]2、本發(fā)明為一種在壓力下模鍛成形的方法，通過本發(fā)明形成電子封裝零件的微觀組織的致密度在98%以上，有效減少孔隙含量，有助于該材料熱物理性能的提高。
[0025]3、本發(fā)明實現(xiàn)較低溫度下的成形，避免增強(qiáng)相和基體之間的界面反應(yīng)，有助于封裝材料熱物理性能的提尚。
[0026]4、本發(fā)明實現(xiàn)薄壁零件處的壓力下成形，不但可以實現(xiàn)薄壁處成形，而且可以實現(xiàn)少孔隙含量。
【附圖說明】
[0027]圖1是金屬基復(fù)合材料坯料I的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是金屬基復(fù)合材料坯料I與專用模具的連接關(guān)系示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明中多個主壓塊4-1均下降直至貼緊在金屬基復(fù)合材料坯料I上的操作示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明中步驟三的操作示意圖；
[0031]圖5是本發(fā)明中步驟四的操作示意圖；
[0032]圖6是本發(fā)明中步驟五的操作示意圖。
【具體實施方式】
[0033]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6說明本實施方式，本實施方式所述方法包括以下步驟:
[0034]步驟一:首先制備出增強(qiáng)相含量的金屬基復(fù)合材料坯料I ;
[0035]步驟二:其次將步驟一制備出的金屬基復(fù)合材料坯料I置于專用模具中的模腔2內(nèi)，使該金屬基復(fù)合材料坯料I處于模腔2內(nèi)的