CN111482598B - 一种激光焊接层预制件及其和铝碳化硅盒体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接层预制件及其和铝碳化硅盒体的制备方法，包括步骤1：制备激光焊接层预制件；步骤2：激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合；步骤3：真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体；步骤4：进行机械加工；所述激光焊接层预制件由颗粒增强的铝合金粉压制而成，具体为将所述铝合金粉置于石墨模具中，所述石墨模具包括凹模和凸模，将所述铝合金粉铺在凹模的底部，液压机经由凸模对凹模内的铝合金粉施以0.5‑2MPa的压力并保压，形成激光焊接层预制件，所述颗粒增强的铝合金粉的粒径大小为10～200μm，通过在铝碳化硅盒体的上端设计出该激光焊接层，有效解决铝碳化硅盒体与盖板的激光焊接难题，保证封焊后盒体的气密性。

Description

一种激光焊接层预制件及其和铝碳化硅盒体的制备方法

技术领域

本发明涉及激光焊接电子封装领域，尤其涉及一种激光焊接层预制件及其和铝碳化硅盒体的制备方法。

背景技术

伴随信息技术突飞猛进的发展，IC芯片集成度不断提高，使得其功率密度日益增加。因此，需要更为有效的热管理材料。然而，Kovar合金，Inva合金和W/Cu合金等传统的电子封装材料，由于昂贵的价格、高的密度和低的热导率已不能完全满足现代电子封装对材料的要求。作为高体积分数(60％～75％)碳化硅增强铝基复合材料(以下简称铝碳化硅)，由于具有高的热导率和弹性模量，低的密度和适宜可调的膨胀系数，被广泛的应用于微波集成电路，功率模块，微处理器盖板和散热板等电子器件上。

作为装有裸芯片的封装盒体，一方面要求盒体自身具有高的致密性；另一方面要求盒体与盖板之间的焊缝具有高的气密性。激光焊接具有能量高、热影响区小、使用灵活、成本低等特点被广泛用于电子封装盒体的封盖。但是，由于碳化硅增强相与铝基体的物理化学性质差异大，使得铝碳化硅壳体的***密性封盖非常具有挑战性。为解决电子封装用的高体积分数(碳化硅体积分数大于50％)铝碳化硅盒体不能直接***密性封焊难题，国内外研究人员进行了如下研究，即在铝碳化硅盒体的上部集成一定厚度的金属焊接层，作为过渡层，再与盖板进行封焊，如图1所示。

美国CPS公司和PCC_AFT公司采用同步集成工艺将Kovar或钛合金复合在铝碳化硅盒体的上端作为激光焊接层，但在两者界面处会形成Fe3Al、TiAl等脆性金属间和化合物，易形成微裂纹。

公开号为CN103367270A的专利使用真空压力浸渗和同步集成的技术在铝碳化硅盒体的上端制备铸造态的铝合金激光焊接层，该焊接层与铝碳化硅壳体的界面为原子级的冶金结合，结合强度高，无裂纹等缺陷。但是铸造态的铝合金激光焊接层晶粒粗大，且存在疏松、缩孔等铸造缺陷，在激光封盖过程中易导致焊缝拉裂而影响气密性。

公开号为CN101973144A的专利发明了一种可激光焊接的层状铝硅-铝碳化硅复合材料及其制备方法。该专利首先制备出层状的硅-碳化硅预制件，然后采用真空液相压力浸渗的方法将铝渗入层状的预制件得到层状的铝硅-铝碳化硅复合材料，焊接层为铝硅。主要存在以下问题：(1)硅粉表面的氧化层较厚，使得熔渗铝硅的激光焊接性能较差；(2)铝硅层成分不均匀，钎焊过程中导致盒体变形较大；(3)当盒体的端口穿越铝硅层时，易导致界面结合处开裂。

马春雪等在《Interfacial and bending strength of SiC/A356/FeNi50composite fabricated by gas pressure infiltration》中应用同步集成工艺将FeNi50焊接层嵌入成型的SiC预制件中，采用气压浸渗工艺制备SiC/A356/FeNi50复合材料，但是界面处易形成裂纹与孔洞。

公开号为CN101733498A的专利使用Zn-Cd-Ag-Cu钎料在铝碳化硅壳体的上端钎焊Kovar合金作为激光焊接层，接头剪切强度达到225MPa。但是，焊接前母材需要镀覆Ni-P层，且需在保护气氛下进行连接，工艺复杂成本较高；同时钎剂具有腐蚀性，Cd有较大的毒性。

公开号为CN101502904A的专利首先对铝碳化硅复合材料与Kovar合金进行化学镀Ni(P)合金，然后采用Al-Ag-Cu共晶焊料在氮气保护下对二者进行钎焊，接头的剪切强度为65MPa，金属壳体与盖板进行封焊厚气密性为1.0×10-5(Pa·cm3)/s。但是铝碳化硅有裸露的碳化硅颗粒，易导致金镀层脱落。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，在铝碳化硅盒体的上端设计出一种激光焊接层，有效解决铝碳化硅盒体与盖板的激光焊接难题，保证封焊后盒体的气密性。

本发明提供的一种激光焊接层预制件，由颗粒增强的铝合金粉压制而成，所述颗粒增强的铝合金粉的粒径大小为10～200μm，可以根据实际的使用需求对所述激光焊接层的厚度、结构、成分(增强相颗粒与铝合金基体的比例)等进行调整，以满足不同的使用需求。

优选的，所述铝合金粉选用粒径为50～80μm，增强相为6063的铝合金粉或粒径为100～150μm，增强相为3003的铝合金粉。

其中，所述压制具体包括通过液压机施以0.5-2MPa的压力压制。

本发明还提供了一种上述激光焊接层预制件的制备方法，包括称取颗粒增强的铝合金粉，将所述铝合金粉置于石墨模具中，所述石墨模具包括凹模和凸模，将所述铝合金粉铺在凹模的底部，液压机经由凸模对凹模内的铝合金粉施以0.5-2MPa的压力并保压，以形成激光焊接层预制件。

本发明还提供了一种带上述激光焊接层的铝碳化硅盒体的制备方法，包括，

步骤1：制备激光焊接层预制件；

步骤2：激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合，形成双层的预制件；

步骤3：真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体；

步骤4：对所述铝碳化硅坯体进行机械加工。

更进一步的，所述步骤1具体包括将铝合金粉置于石墨模具中，所述石墨模具包括凹模和凸模，将所述铝合金粉铺在凹模的底部，液压机经由凸模对凹模内的铝合金粉施以0.5-2MPa的压力并保压，形成激光焊接层预制件。

更进一步的，所述步骤2具体包括将激光焊接层预制件置于多孔碳化硅预制件的上端并进行层压。

更进一步的，所述步骤3具体包括

步骤3.1：将装有双层预制件的不锈钢模具置于真空压力浸渗炉上室中预热，同时将铝基体置于下室坩埚中熔化；

步骤3.2：当上下室达到设定的温度与时间后，抽真空至真空度低于500Pa后用升降杆抬升坩埚；

步骤3.3：充入高纯氮气，使炉内压力大于5MPa；

步骤3.4：随炉冷却凝固后去除不锈钢模具。

其中，所述铝基体为Zl101A或Zl102的铝合金。

更进一步的，所述步骤4具体包括

步骤4.1：使用磨床及铣床对铝碳化硅坯体***的铝合金进行去除；

步骤4.2：对铝碳化硅坯体进行去应力退火；

步骤4.3：采用数控铣床将铝碳化硅坯体加工到所需尺寸。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：使用颗粒增强的铝合金粉压制而成的激光焊接层预制件和激光焊接层，具有晶粒细小，无疏松、缩孔等铸造缺陷，具有良好的力学性能。因此可以保证使用该激光焊接层的铝碳化硅盒体在激光封盖过程中焊缝的气密性且使得膨胀系数可调，可广泛用于微波集成电路、混合集成电路等需要气密性封装的盒体。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为铝碳化硅盒体示意图；

图2为本发明带激光焊接层的铝碳化硅盒体的制备方法的流程图；

图3为本发明激光焊接层预制件的制备方法示意图；

图4为激光焊接层预制件与多孔铝碳化硅预制件的层压配合示意图；

图5为预制件与石墨在不锈钢模具内的装配示意图；

图6为真空气压浸渗示意图；

图7为本发明的带激光焊接层的铝碳化硅盒体示意图；

附图标记如下：

1-盖板，2-金属焊接层，3-铝碳化硅层，4-凸模，5-石墨模具，6-铝合金粉，7-激光焊接层预制件，8-多孔碳化硅预制件，9-石墨隔板1，10-石墨隔板2，11-不锈钢模具，12-流道空隙，13-真空容器，14-坩埚，15-升降机构，16-出气阀，17-加热元件，18-铝碳化硅坯体，19-引液管，20-铝液，21-进气阀。

具体实施方式

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明采用的技术方案为在铝碳化硅盒体的四周设计出一圈由颗粒增强的铝合金激光焊接层，增强颗粒为铝合金粉料，粒径大小为10～200μm。可以根据实际的使用需求对所述激光焊接层的厚度、结构、成分(增强相颗粒与铝合金基体的比例)等进行调整，以满足不同的使用需求。因此，所述带激光焊接层的盒体具有膨胀系数可调，经过机加工、镀覆等处理后，可与盖板进行***密性封焊。

结合流程图2，以下做进一步说明。

1)制备激光焊接层预制件。将铝合金粉料置于石墨模具中，通过液压机施以0.5-2MPa的压力，形成激光焊接层预制件。

2)激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合。将激光焊接层预制件置于多孔碳化硅预制件的上端并进行层压，形成双层的预制件。

3)真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体。将装有双层预制件的不锈钢模具置于真空压力浸渗炉上室中预热，同时并将铝基体置于下室坩埚中熔化，当上下室达到设定的温度与时间后，抽真空至真空度低于500Pa后用升降杆抬升坩埚，后充入高纯氮气，使炉内压力大于5MPa，铝基体在浸渗至多孔碳化硅预制件与激光焊接层预制件孔隙的同时，也完成了激光焊接层与铝碳化硅材料的冶金结合。随炉冷却凝固后去除不锈钢模具，即得到带激光焊接层的铝碳化硅坯体。

4)机械加工。首先使用磨床及铣床对铝碳化硅坯体***的铝合金进行去除，然后对坯体进行去应力退火，最后采用数控铣床将坯体加工到所需的产品尺寸。

本发明的带激光焊接层的铝碳化硅盒体，其中激光焊接层晶粒细小，无疏松、缩孔等铸造缺陷，具有良好的力学性能，可保证在激光封盖过程中焊缝的气密性，可广泛用于微波集成电路、混合集成电路等需要气密性封装的盒体。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1

本发明的带激光焊接层的铝碳化硅盒体结构如图1所示，激光焊接层1位于铝碳化硅层2的上端；2者宏观分层，微观不分层，2者之间有良好的冶金结合。其中所述激光焊接层的1的厚度为2mm，由增强相为6063铝合金粉与基体为Zl102铝合金构成，其中6063铝合金粉的体积分数为60％，Zl102铝合金基体的体积分数为40％。所述铝碳化硅层2由碳化硅颗粒与Zl102铝合金基体组成，其中碳化硅的体积分数为63％，Zl102铝合金的体积分数为37％。

一种电子封装用带激光焊接层的铝碳化硅盒体的制备方法，具体步骤如下：

1)制备激光焊接层预制件。称取粒径为50～80μm的6063铝合金颗粒粉6，并铺在石墨模具凹模5的底部，如图3所示，通过凸模4对石墨模具5凹模内的6063铝合金粉6施加1MPa的压力并保压30s，泄压后即得到颗粒体积分数为60％的6063铝合金激光焊接层预制件7。

2)激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合。将多孔碳化硅预制件8置于步骤1)制得的6063铝合金激光焊接层预制件7的上方，如图4所示，所述多孔碳化硅预制件8中的碳化硅的体积分数为63％，然后压制成双层预制件。压制条件为：压力0.5MPa，保压时间60s。

3)真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体。将步骤2)制得的双层预制件置于不锈钢模具11中，如图5所示。然后将不锈钢模具11置于真空压力浸渗炉上室中，如图6所示，上室加热至520℃恒温2h，并将Zl102铝合金作为基体合金置于下室的坩埚14中加热至670℃保温2h，得到融化的铝液20，上述的加热过程中上下室均充入氩气；然后抽真空至200Pa时，通过升降机构15使引液管19***融化的铝液20中，停止抽真空并将高纯氮气充入下室中使炉内压力增加至1～2MPa，恒温恒压6min；最后关闭上下室电源，继续充入氮气使炉内压力增加至10MPa并保压10min。在上述过程中，铝液20在浸渗6063铝合金激光焊接层预制件7的孔隙、碳化硅预制件8的孔隙的同时，也完成了激光焊接层2与铝碳化硅层3的冶金结合，即2者之间的界面是连续的。通过上述过程制备了带激光焊接层的铝碳化硅坯体18。

4)机械加工。将包裹不锈钢模具11的铝碳化硅坯体18随炉冷却后取出，先去除不锈钢模具11，然后将铝碳化硅坯体18通过磨床及铣床将***的铝合金去除，在400℃下进行1小时去应力退火，最后采用聚金刚石刀具通过数控铣床对铝碳化硅坯体18进行加工，即得到带激光焊接层的铝碳化硅盒体，如图7所示。

以上制备出的带激光焊接层的铝碳化硅盒体，其中激光焊接层晶粒细小，无疏松、缩孔等铸造缺陷，具有良好的力学性能。将盒体与盖板进行激光焊接后，按照GJB548B-2005方法中1014.2A1气密性检测其值为2.3×10-3(Pa·cm3)/s，满足GJB548B-2005≦5×10-3(Pa·cm3)/s的技术要求。

实施例2

带激光焊接层的铝碳化硅盒体结构如图1所示，其中激光焊接层的1的厚度为1.8mm，由增强相为3003铝合金粉与基体为Zl101A铝合金构成，其中3003铝合金粉的体积分数为55％，Zl101A铝合金基体的体积分数为45％。所述铝碳化硅层2由碳化硅颗粒与Zl101A铝合金基体组成，其中碳化硅的体积分数为60％，Zl102铝合金的体积分数为40％。

一种电子封装用带激光焊接层的铝碳化硅盒体的制备方法，具体步骤如下：

1)制备激光焊接层预制件。称取粒径为100～150μm的3003铝合金颗粒粉6，并铺在石墨模具凹模5的底部，通过凸模4对石墨模具5凹模内的3003铝合金粉6施加1.5MPa的压力并保压60s，泄压后即得到颗粒体积分数为55％的3003铝合金激光焊接层预制件7。

2)激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合。将多孔碳化硅预制件8置于步骤1)制得的3003铝合金激光焊接层预制件7的上方，所述多孔碳化硅预制件8中的碳化硅的体积分数为60％，然后压制成双层预制件。压制条件为：压力0.8MPa，保压时间100s。

3)真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体。将步骤2)制得的双层预制件置于不锈钢模具11中，如图5所示。然后将不锈钢模具11置于真空压力浸渗炉上室中，如图6所示，上室加热至540℃恒温2h，并将Zl101A铝合金作为基体合金置于下室的坩埚14中加热至710℃保温3h，得到融化的铝液20，上述的加热过程中上下室均充入氩气；然后抽真空至200Pa时，通过升降机构15使引液管19***融化的铝液20中，停止抽真空并将高纯氮气充入下室中使炉内压力增加至1～2MPa，恒温恒压5min；最后关闭上下室电源，继续充入氮气使炉内压力增加至10MPa并保压10min。在上述过程中，铝液20在浸渗3003铝合金激光焊接层预制件7的孔隙、碳化硅预制件8的孔隙的同时，也完成了激光焊接层2与铝碳化硅层3的冶金结合，即2者之间的界面是连续的。通过上述过程制备了带激光焊接层的铝碳化硅坯体18。

4)机械加工。将包裹不锈钢模具11的铝碳化硅坯体18随炉冷却后取出，先去除不锈钢模具11，然后将铝碳化硅坯体18通过磨床及铣床将***的铝合金去除，在450℃下进行1.5小时去应力退火，最后采用聚金刚石刀具通过数控铣床对铝碳化硅坯体18进行加工，即得到带激光焊接层的铝碳化硅盒体，如图7所示。

以上制备出的带激光焊接层的铝碳化硅盒体，其中激光焊接层晶粒细小，无疏松、缩孔等铸造缺陷，具有良好的力学性能。将盒体与盖板进行激光焊接后，按照GJB548B-2005方法中1014.2A1气密性检测其值为3.7×10-3(Pa·cm3)/s，满足GJB548B-2005≦5×10-3(Pa·cm3)/s的技术要求。

上述说明示出并描述了本发明的两个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种带激光焊接层的铝碳化硅盒体的制备方法，其特征在于：包括，

步骤1：制备激光焊接层预制件；

激光焊接层预制件由颗粒增强的铝合金粉压制而成，所述颗粒增强的铝合金粉的粒径大小为10~200μm；所述铝合金粉选用粒径为50~80μm，增强相为6063的铝合金粉或粒径为100~150μm，增强相为3003的铝合金粉；

步骤2：激光焊接层预制件与碳化硅预制件层压配合，形成双层的预制件；

步骤3：真空气压浸渗制备带激光焊接层的铝碳化硅坯体；

所述步骤3具体包括

步骤3.1：将装有双层预制件的不锈钢模具置于真空压力浸渗炉上室中预热，同时将铝基体置于下室坩埚中熔化；

步骤3.2：当上下室达到设定的温度与时间后，抽真空至真空度低于500Pa后用升降杆抬升坩埚；

步骤3.3：充入高纯氮气，使炉内压力大于5MPa；

步骤3.4：随炉冷却凝固后去除不锈钢模具；

步骤4：对所述铝碳化硅坯体进行机械加工。

2.如权利要求1所述的铝碳化硅盒体的制备方法，其特征在于：所述步骤1具体包括将铝合金粉置于石墨模具中，所述石墨模具包括凹模和凸模，将所述铝合金粉铺在凹模的底部，液压机经由凸模对凹模内的铝合金粉施以0.5-2MPa的压力并保压，形成激光焊接层预制件。

3.如权利要求1所述的铝碳化硅盒体的制备方法，其特征在于：所述步骤2具体包括将激光焊接层预制件置于多孔碳化硅预制件的上端并进行层压。

4.如权利要求1所述的铝碳化硅盒体的制备方法，其特征在于：所述铝基体为ZL101A或ZL102的铝合金。

5.如权利要求1所述的铝碳化硅盒体的制备方法，其特征在于：所述步骤4具体包括

步骤4.1：使用磨床及铣床对铝碳化硅坯体***的铝合金进行去除；

步骤4.2：对铝碳化硅坯体进行去应力退火；

步骤4.3：采用数控铣床将铝碳化硅坯体加工到所需尺寸。

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