CN114134373A - 一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料及其制备方法，属于电子信息工业用的电子封装材料技术领域。本发明解决了现有高硅铝合金材料硅含量大于50％时，材料抗拉强度较低的问题。本发明在高硅铝合金材料中硅的含量在50％～85％的情况下，加入适量比例碳纳米管，保证了封装材料的热膨胀系数保持在(6～9)×10‑6/℃，即在高温下材料涨缩现象较小的同时，将合金材料的抗拉强度较低从110MPa提高至150MPa～350MPa。从而使高硅铝合金材料，在相同体积的情况下具有更高的抗拉强度。

Description

一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料及其制备方法，属于电子信息工业用的电子封装材料技术领域。
背景技术
硅铝合金电子器件在航天航空和舰载雷达等领域得到更广泛的应用。外尤其对高端电子芯片的封装材料进行了研究，推出了高硅铝合金这一高端电子封装材料。高硅铝合金是指Si含量大于27％硅铝基复合材料。国外在20世纪90年代研制成功了高硅铝合金电子封装材料。作为轻质电子封装材料，其优点突出，一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计；二是该类材料是飞行器用质量最轻的金属基电子封装材料，兼有优异的综合性能；三是可实现低成本要求。而高硅铝合金材料硅含量大于50％时，材料抗拉强度较低，影响了材料的性能，因此，提供一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，包括以下按重量份计的化学成分：硅50％～85％，铝50％～15％，其他金属Mg、Cu、Zn、Pb和Fe的含量总和在2％以下。
进一步限定，合金封装材料包括以下原料：硅粉、硅铝合金粉和碳纳米管。
更进一步限定，硅粉和硅铝合金粉混合为硅质量含量为50％～85％的合金粉。
更进一步限定，碳纳米管质量含量为合金粉总质量的0.5％～2％。
更进一步限定，碳纳米管为单壁碳纳米管，直径为0.6～2nm，长径比为(20～200):1。
进一步限定，硅粉和硅铝合金粉的粒径均在200目以上。
上述硅铝合金封装材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将硅粉和硅铝合金粉混合均匀，获得高硅铝合金粉末；
步骤2，将高硅铝合金粉末和单壁碳纳米管放入混料机中滚动混料，直至材料混合均匀；
步骤3，将步骤2混合后的粉料放入铝制包套中，进行密封，并对包套进行抽真空处理，保证包套内真空度≤2×104Pa，将包套在氩气氛围下进行热处理，梯度降温冷却至室温；
步骤4，经过步骤3热处理后，去除包套，再次进行热处理，冷却后获得具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料。
进一步限定，步骤3中热处理温度为560℃，处理时间为5h。
进一步限定，步骤4中热处理温度为530℃，处理时间为4h。
本发明有益效果：
本发明在高硅铝合金材料中硅的含量在50％～85％的情况下，加入适量比例碳纳米管，保证了封装材料的热膨胀系数保持在(6～9)×10-6/℃，即在高温下材料涨缩现象较小的同时，将合金材料的抗拉强度较低从110MPa提高至150MPa～350MPa。从而使高硅铝合金材料，在相同体积的情况下具有更高的抗拉强度。
附图说明
图1是掺杂不同含量以及不同长径比的单壁碳纳米管的高硅铝合金材料的抗拉强度性能曲线对比图；
图2是硅含量为70％的高硅铝合金材料的热膨胀系数测试曲线图；
图3是硅含量为70％的高硅铝合金材料中掺入长径比为200:1且掺杂量为2％的碳纳米管的热膨胀系数测试曲线图；
图4为掺杂量为2.5％的碳纳米管的高硅铝合金材料金相图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
本实施例具体操作步骤如下：
步骤1，选用Si粉和AlSi41合金粉，粉末规格选用目数在200目以上；
步骤2，将19.66g的Si粉和20.34g的AlSi41合金粉混合均匀，保证合金粉中硅含量为70％合金粉；
步骤3，选用单壁纳米管直径为0.6-2nm，其长径比为20:1；
步骤4，称取占合金粉总质量0.5％的单壁纳米管；
步骤5，称重好的高硅铝合金粉末与单壁纳米管放入混料机中，滚动时间10h，保证混合材料混合均匀；
步骤6，将混合后的粉料放入铝制包套中，进行密封；
步骤7，对包套进行抽真空处理，保证包套内真空度≤2×104Pa；
步骤8，对包套氩气环境下进行热压处理，热压温度为560℃，时间5h，梯度降温冷却至室温，每降低100℃，恒温保持1h，降温速率为10℃/min；
步骤9，去除包套后进行热处理，处理温度为530℃，时间4h；
步骤10，取热处理后样件进行抗拉强度试验，切割截面积14.4mm2的测试样品进行抗拉强度试验，结果如图1中曲线2所示，测试仪器仪器为双柱拉力试验机。
实施例2：
本实施例与实施例1不同处为：步骤3，选用单壁纳米管的长径比为200:1，其余操作步骤与参数设置与实施例1完全相同。将获得的样件切割截面积14.4mm2的测试样品进行抗拉强度试验，结果如图1中曲线4所示，测试仪器仪器为双柱拉力试验机。
实施例3：
本实施例与实施例1不同处为：步骤4，称取占合金粉总质量2.0％的单壁纳米管，其余操作步骤与参数设置与实施例1完全相同。将获得的样件切割截面积14.4mm2的测试样品进行抗拉强度试验，结果如图1中曲线3所示，测试仪器仪器为双柱拉力试验机。
实施例4：
本实施例与实施例3不同处为：步骤3，选用单壁纳米管的长径比为200:1，其余操作步骤与参数设置与实施例3完全相同。将获得的样件切割截面积14.4mm2的测试样品进行抗拉强度试验，结果如图1中曲线5所示，测试仪器仪器为双柱拉力试验机。
本实施例获得的样件的膨胀系数曲线如图3所示，热膨胀系数最大值为8.4×10-6/℃，掺入碳纳米管后70硅的硅铝合金材料的热膨胀系数变化率为15％。符合70硅的热膨胀系数范围(6.8～8.5)×10-6/℃的要求。
对比例1：
本对比例与实施例不同处为：不掺杂单壁碳纳米管，其余操作步骤与参数设置与实施例2完全相同。将获得的样件切割截面积14.4mm2的测试样品进行抗拉强度试验，结果如图1中曲线1所示，测试仪器仪器为双柱拉力试验机。
本对比例获得的无掺杂的70Si样件的膨胀系数曲线如图2所示，热膨胀系数为最大值7.3×10-6/℃(测试温度在20℃～250℃)。
上述实施例与对比例获得抗拉伸强度数据如下表所示：
Figure BDA0003356878520000041
由上表可知，当单壁碳纳米管长径比为200：1时，掺入量为2.0％时，样件的抗拉强度较未掺入单壁碳纳米管的样件的抗拉强度提高了3倍以上。
由于当碳纳米管尺寸达到纳米时，有很强的团聚效应，颗粒相互吸引力也显著增大，表现出碳纳米管的强团聚效应。经过试验验证，高硅铝合金材料中，当掺入碳纳米管含量大于2.0％时，会出现碳纳米管团聚，如图4掺入碳纳米管为2.5％时金相图所示。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，该合金封装材料包括以下按重量份计的化学成分：硅50％～85％，铝50％～15％，其他金属Mg、Cu、Zn、Pb和Fe的含量总和在2％以下。
2.根据权利要求1所述的一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，该合金封装材料包括以下原料：硅粉、硅铝合金粉和碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，硅粉和硅铝合金粉混合为硅质量含量为50％～85％的合金粉。
4.根据权利要求3所述的一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，所述的碳纳米管质量为合金粉总质量的0.5％～2％。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，所述的碳纳米管为单壁碳纳米管，直径为0.6～2nm，长径比为(20～200):1。
6.根据权利要求2所述的一种具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料，其特征在于，所述的硅粉和硅铝合金粉的粒径均在200目以下。
7.一种权利要求1所述的硅铝合金封装材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将硅粉和硅铝合金粉混合均匀，获得高硅铝合金粉末；
步骤2，将高硅铝合金粉末和单壁碳纳米管放入混料机中滚动混料，直至材料混合均匀；
步骤3，将步骤2混合后的粉料放入铝制包套中，进行密封，并对包套进行抽真空处理，保证包套内真空度≤2×104Pa，将包套在氩气氛围下进行热处理，梯度降温冷却至室温；
步骤4，经过步骤3热处理后，去除包套，再次进行热处理，冷却后获得具有高抗拉强度的硅铝合金封装材料。
8.根据权利要求7所述的硅铝合金封装材料的制备方法，其特征在于，所述的梯度降温冷却过程为每降低100℃，恒温保持1h，降温速率为10℃/min。
9.根据权利要求7所述的硅铝合金封装材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中热处理温度为560℃，处理时间为5h。
10.根据权利要求7所述的硅铝合金封装材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中热处理温度为530℃，处理时间为4h。
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