專利名稱：一種制備Al/AlN電子封裝材料的方法
技術領域：
本發明屬于電子封裝技術領域，特別是提供了一種制備Al/AlN電子封裝材料的方法，適用于電子封裝，實現了近凈成形制備。
背景技術：
電子封裝，是指將一個具有一定功能的集成電路芯片，放置在一個與之相適應的外殼容器中，為芯片提供一個可靠的工作環境，以保護芯片不受或少受外界環境的影響，使得集成電路具有穩定的功能。目前，按照封裝所使用的材料不同，主要可分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝。
作為微電子封裝的一種主要形式，金屬封裝在許多領域得到了廣泛的應用，尤其是在軍用及航空航天領域，由于其高可靠性、散熱良好，因而倍受青睞。金屬封裝的特點是封裝外殼可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A轉換器)融合為一體，可使封裝形狀多樣化，散熱快，體積小，成本低。在金屬封裝時，要根據被封裝電路或器件的諸如傳輸延遲、串擾、散熱等要求合理設計封裝結構、尺寸和合理選擇封裝材料。
傳統的金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、可伐合金等，它們的主要性能如表1所示。芯片材料如Si、GaAs以及基片材料Al2O3、BeO、AlN等的CTE值介于4～7×10-6K-1之間，而Al、Cu雖然具有很高的導熱系數，但其CTE太大(Al的CTE為22×10-6～25×10-6K-1，Cu的CTE大約為16×10-6～18×10-6K-1)，容易引發循環熱應力。Mo、W由于其價格較為昂貴，加工、焊接性能差而密度卻是Al的好幾倍，限制了其應用。而可伐合金雖然具有很低的CTE，數值上與GsAs的CTE較為接近，可伐合金的加工性能也很好，但是由于其導熱系數太低，密度也很大，使其廣泛應用受到了限制。
隨著金屬封裝的迅速發展，傳統的金屬封裝材料已不能滿足現代封裝技術對封裝材料提出的更高要求。因此，研究、開發和使用新型金屬封裝材料已是迫在眉睫。
由于單一基體的各種封裝材料無法滿足各方面性能的綜合要求。只有金屬基復合材料才能全面滿足電子封裝的技術要求。它尤其適于現代化高速發展的功率HIC，微波毫米波MMIC，MCM和大電流功率模塊的功率封裝及作為散熱片應用。
電子封裝常用的金屬基復合材料主要是微觀強化型金屬基復合材料。按增強物類型可分為連續纖維增強金屬基復合材料、非連續增強金屬基復合材料、自生增強金屬基復合材料、層板金屬基復合材料。按基體類型可分為鋁基、銅基、銀基、鈹基等。用作金屬基電子封裝材料增強體得有很多種，各有特色。其中使用較多得有C、B、碳化物、氮化物、氧化物、硼化物。金屬基復合材料最大特點之一就是充分發揮了基體和增強體的長處，克服各自不足之處。盡管Al、Cu、Mg和單個增強體單獨用作封裝材料時不令人滿意，然而，把它們結合在一起制成復合材料，使用到電子封裝方面非常成功。
但是，人們目前使用的金屬基電子封裝材料在制備工藝上均存在制備工藝復雜、不能近凈成形和成本高的缺點。為了克服上述缺點，我們提出了近凈成形制備Al/AlN復合電子封裝材料的工藝。
發明內容
本發明的目的在于提供一種制備Al/AlN電子封裝材料的方法，克服目前廣泛使用的電子封裝材料存在的制備工藝復雜、不能近凈成形和成本高的缺點，使制備的電子封裝材料既具有良好的熱性能，又可以通過簡單的制備工藝近凈成形，同時制備成本低廉。
本發明制備Al/AlN復合電子封裝材料的方法是，包括以下步驟a、使用凝膠注模成形或注射成形制備Mg粉與Al粉的混合粉末或鎂鋁合金粉末坯體；b、坯體在溫度為100℃～500℃和非氧化氣氛下排除有機物；c、使上一步得到的坯體在溫度為在600℃～900℃，氮氣分壓為1kPa～10MPa的氣氛中燒結30分鐘～120小時。
在使用凝膠注模工藝時，使用如下組分的的凝膠組合物低碳醇(包括碳原子個數小于12的醇)40％～95％(體積)；丙烯酸羥基烷基酯5％～60％(體積)；雙丙烯酸酯或者三丙烯酸酯0.1％～20％(體積)；過氧化物0.01％～3％(體積)；芳叔胺 0.01％～3％(體積)；各組分總和100％(體積)使用凝膠注模工藝或者注射成形工藝，使用Al和Mg粉或者鎂鋁合金粉(粉末中Mg的質量分數為0.01％～5％)制備粉末體積含量為40％～70％的坯體。Mg的作用主要是破壞Al粉表面的氧化膜，Mg的加入量并不是越多越好，經研究坯體中很少的Mg即可以有效的破壞Al粉表面的氧化膜，最好的Mg在坯體中的質量分數為0.01％～5％。坯體中粉末的體積含量也較大的影響后期的燒結效果，過低的粉末體積含量使得燒結困難，最好的粉末體積含量為40％～70％。
將得到的坯體在非氧化氣氛中，加熱至100℃～500℃保溫10分鐘～10小時以排除有機物。這里的非氧化氣氛是指真空度為0.001Pa～1kPa的真空環境或0.001Pa～1MPa的H2氣氛或0.001Pa～1MPa的N2氣氛或0.001Pa～1MPa的Ar2氣氛或2～3種上述氣氛的混合氣氛。非氧化氣氛是為了防止在此過程中Al粉和Mg的進一步氧化，以便于后期的燒結。這里的排除有機物的時間沒有過多限制，理論上越長越好，時間越長則坯體中有機物排除越干凈。
而后將坯體在氮氣分壓為1kPa～10MPa的氣氛中，在600℃～900℃保溫30分鐘～120小時。在氮氣分壓較高的氣氛中燒結，主要是為了促進燒結和Al的氮化，這樣才能生成大量的AlN。而AlN的量于氣氛中的氮氣分壓和氮化時間有很大的關系，因此，氮化溫度最好在600℃～900℃，氮氣分壓為1kPa～10MPa。
本發明的優點是最終得到Al/AlN復合電子封裝材料，該材料的N的質量分數量為3％～30％。由于生成了大量的AlN使得Al/AlN復合材料的熱膨脹系數相對純鋁大幅降低，而且通過調整AlN的量還可以得到不同熱膨脹系數的Al/AlN復合材料。同時，本方法制備的Al/AlN復合材料的熱導率在100W/m·K以上，滿足了電子產品散熱的需求。實現了低成本的制造高熱導低熱膨脹的電子封裝材料。
具體實施例方式
例1配方與工藝如下乙醇(分析純)90％(體積)丙烯酸羥乙酯(分析純)8％(體積)二乙二醇丙烯酸酯(分析純)2％(體積)過氧化苯甲酰(分析純)1％(體積)N，N-二甲基苯胺(分析純) 1％(體積)使用上述成分凝膠組合物的凝膠注模工藝，加入Al粉和Mg粉，其中Mg的質量含量為4％，制備固相體積含量為50％的坯體。
坯體首先在70℃干燥10小時，而后在真空度為0.1kPa，溫度為200℃下，保溫1小時，而后真空度不變，溫度為400℃下保溫1小時，最后在N2壓力為0.1MPa的氣氛下，保溫5小時。最終得到Al/AlN復合電子封裝材料。
例2將例1中的Al粉和Mg粉更換為鎂鋁合金粉末，其中Mg的質量含量為4％，其它工藝條件與例1相同。
例3將例1中的凝膠注模成形工藝改為在注射成形工藝。將得到的坯體在常溫下溶劑脫脂，而后在300℃，H2流動氣氛下加熱24小時以脫除坯體中的有機物。最后在N2壓力為1MPa的氣氛下，保溫6小時。最終得到Al/AlN復合電子封裝材料。
例4將例1中的燒結工藝改為在N2氣氛下，溫度為250℃下，保溫1小時，而后在溫度為400℃下保溫2小時，最后在N2壓力為4MPa的氣氛下，保溫5小時。其它工藝條件與例1相同。
例5將例1中的燒結工藝改為在H2和N2為3∶1的混合氣氛下，溫度為250℃下，保溫1小時，而后在溫度為400℃下保溫2小時，最后在N2壓力為0.1MPa的氣氛下，保溫10小時。其它工藝條件與例1相同。
權利要求
1.一種制備Al/AlN電子封裝材料的方法，其特征在于，工藝步驟為a、使用凝膠注模成形或注射成形制備Mg粉與Al粉的混合粉末或鎂鋁合金粉末坯體；b、坯體在溫度為100℃～500℃和非氧化氣氛下排除有機物；c、使上一步得到的坯體在溫度為在600℃～900℃，氮氣分壓為1kPa～10MPa的氣氛中燒結30分鐘～120小時。
2.按照權利要求1的方法，其中所述的凝膠注模成形使用如下組分的凝膠組合物低碳醇指碳原子個數小于12的醇 40％～95體積％，丙烯酸羥基烷基酯 5％～60體積％，雙丙烯酸酯或者三丙烯酸酯 0.1％～20體積％，過氧化物0.01％～3體積％，芳叔胺 0.01％～3體積％，各組分總和100％(體積)。
3.按照權利要求1的方法，其中所述的Mg粉與Al粉的混合粉末，其中Mg的質量百分比為0.01％～5％。
4.按照權利要求1的方法，其中所述的鎂鋁合金粉末，其中合金中Mg的質量百分比為0.01％～5％。
5.按照權利要求1的方法，其中所述的坯體中金屬粉末體積含量為40％～70％。
6.按照權利要求1的方法，其中所述的非氧化氣氛為真空度為0.001Pa～1kPa的真空環境，0.001Pa～1MPa的H2氣氛，0.001Pa～1MPa的N2氣氛，0.001Pa～1MPa的Ar2氣氛中任意一種；或者2～3種氣氛混合使用。
全文摘要
一種制備Al/AlN電子封裝材料的方法，屬于電子封裝技術領域。工藝步驟為使用凝膠注模成形或注射成形制備Mg粉與Al粉的混合粉末或鎂鋁合金粉末坯體；坯體在溫度為100℃～500℃和非氧化氣氛下排除有機物；使上一步得到的坯體在溫度為在600℃～900℃，氮氣分壓為1kPa～10MPa的氣氛中燒結30分鐘～120小時。優點在于。最終得到Al/AlN復合電子封裝材料，該材料的N的質量分數量為3％～30％。同時，制備的Al/AlN復合材料的熱導率在100W/m·K以上，滿足了電子產品散熱的需求。實現了低成本的制造高熱導低熱膨脹的電子封裝材料。
文檔編號B22F3/23GK101058117SQ20071009999
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月1日 優先權日2007年6月1日
發明者賈成廠, 史延濤, 韓躍朋, 咸敏, 徐自偉, 雷剛 申請人:北京科技大學