阅读说明：本技术 基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块及其成形方法 (Built-in flow channel electronic packaging module based on gradient silicon-aluminum alloy and forming method thereof ) 是由 李斐 邢大伟 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块及其成形方法,所述内置流道电子封装模块包括封装盒体和盖板,其中：所述封装盒体的材料为梯度硅铝合金；所述梯度硅铝合金是沿某一方向硅含量呈梯度变化的高硅铝合金,沿该方向硅的体积分数由低到高呈现梯度变化；所述封装盒体具有内腔结构和蛇形流道结构；所述内腔结构在高硅层处加工；所述蛇形流道在低硅层处加工。该封装模块拥有优异的散热能力,同时该模块梯度硅铝的高硅层还具有与芯片良好的热匹配性,适用于提高电子信息领域封装模块的散热能力。(The invention discloses a built-in runner electronic packaging module based on gradient silicon-aluminum alloy and a forming method thereof, wherein the built-in runner electronic packaging module comprises a packaging box body and a cover plate, wherein: the packaging box body is made of gradient silicon-aluminum alloy; the gradient silicon-aluminum alloy is a high-silicon-aluminum alloy with silicon content changing in a gradient manner along a certain direction, and the volume fraction of silicon changes in a gradient manner from low to high along the direction; the packaging box body is provided with an inner cavity structure and a snake-shaped flow passage structure; the inner cavity structure is processed at the high silicon layer; the serpentine flow channel is machined at the low silicon layer. The packaging module has excellent heat dissipation capacity, and meanwhile, the gradient silicon-aluminum high silicon layer of the module also has good heat matching performance with a chip, so that the packaging module is suitable for improving the heat dissipation capacity of the packaging module in the field of electronic information.)

基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块及其成形方法

技术领域

本发明涉及一种封装模块及其成形方法，尤其涉及一种内置流道式的梯度硅铝电子封装模块及其成形方法。

背景技术

在电子信息领域中，封装模块内芯片的集成度越来越高，芯片功率越来越大，因此对封装模块的散热性能提出了更高的要求。同时，还要求封装材料与电子芯片有良好的热匹配性，能够满足轻量化要求，并具有一定的强塑性指标，且便于加工。

目前常用的封装模块中，芯片工作产生的热量仅靠其与封装材料的热传导方式进行散热，而目前的封装材料如铜、铝、可伐合金、钼铜、高硅铝等，其导热能力已无法满足现代高功率封装模块的散热需求；同时，铜、铝等封装材料的热膨胀系数较大，与芯片的热匹配性也较差。

发明内容

针对目前电子信息领域封装模块的高散热需求，本发明提供了一种基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块及其成形方法。该封装模块拥有优异的散热能力，同时该模块梯度硅铝的高硅层还具有与芯片良好的热匹配性，适用于提高电子信息领域封装模块的散热能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块，包括封装盒体和盖板，其中：

所述封装盒体的材料为梯度硅铝合金；

所述梯度硅铝合金是沿某一方向硅含量呈梯度变化的高硅铝合金，沿该方向硅的体积分数由低到高呈现梯度变化；

所述封装盒体具有内腔结构和蛇形流道结构；

所述内腔结构在高硅层处加工；

所述蛇形流道在低硅层处加工。

一种上述内置流道电子封装模块结构的成形方法，包括如下步骤：

步骤一、封装盒体及盖板坯料制备：

采用电火花线切割制备出梯度硅铝封装盒体坯料以及盖板坯料；

步骤二、蛇形流道加工以及封装盒体与盖板连接表面的精加工：

采用数控铣床在封装盒体低硅层初加工出蛇形流道，并对封装盒体与盖板的连接面进行精加工，保证连接面的表面粗糙度Ra≤1.6；

步骤三、焊前试样表面处理：

将封装盒体与盖板的待焊表面至于丙酮溶液中超声5~15min，以除去焊接表面油污以及氧化膜；

步骤四、扩散焊：

将表面处理后的待焊盒体与盖板置于真空扩散焊炉中，抽真空至1.0×10^-3Pa以下，设置焊接温度530~550℃，采用10~15MPa焊接压力焊接成型，并保温60~90min；保温后设置冷却速率5~15℃/min，当温度降至60~80℃，取出空冷；

步骤五、流道耐压值测试：

对焊接后的蛇形流道进行耐压测试，要求耐压值为4MPa，保压时间20~40min，且无渗漏及变形；

步骤六、封装模块内腔加工：

采用加工中心对已焊接完成的坯料进行内腔加工，至此，具有内置流道结构的封装模块加工完毕。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）改变了传统封装模块的散热方式，实现了封装模块液冷散热方式，极大提高了封装模块的散热能力。

（2）采用梯度硅铝合金作为封装盒体，可同时发挥硅铝合金低硅层与高硅层的各自优势：发挥了低硅层良好的焊接性与高硅层与芯片的热匹配性。

（3）硅铝层，硅铝层中的增强相（Si颗粒）体积分数可以在一定的范围内调节以满足不同电子封装材料的要求。

附图说明

图1为本发明基于梯度硅铝的内置流道电子封装模块的模型示意图；

图2为本发明基于梯度硅铝的内置流道电子封装模块的结构示意图，（a）主视图，（b）侧视图，（c）俯视图；

图3为本发明盖板的结构示意图，（a）主视图，（b）侧视图，（c）俯视图；

图4为本发明封装盒体的结构示意图，（a）主视图，（b）侧视图，（c）俯视图；

其中，1-盖板，2-蛇形流道，3-封装盒体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块，如图1-4所示，所述封装模块由封装盒体3和盖板1组成，其中：

所述封装盒体3的材料为梯度硅铝合金；

所述梯度硅铝合金是沿某一方向硅含量呈梯度变化的高硅铝合金，沿该方向硅的体积分数由低到高呈现梯度变化（如成分为Al-27%Si/Al-38%Si/Al-50%Si或其他呈梯度变化的含量）；

所述封装盒体3具有内腔结构和蛇形流道结构；

所述内腔结构在高硅层处加工；

所述蛇形流道2在低硅层处加工。

本实施方式中，所述低硅层厚度为3~4mm，高硅层与过度层的总厚度为11~12mm。

本实施方式中，所述封装盒体3的外形尺寸为65×48mm。

本实施方式中，所述蛇形流道2的截面为正方形，截面尺寸为1~1.5×1~1.5mm，距盒体边缘尺寸为5~8mm。

本实施方式中，所述内腔结构可根据实际要求确定加工尺寸。

本实施方式中，所述盖板1的材料为铝合金，尺寸与封装盒体3尺寸一致，厚度为3~5mm。

本实施方式使用梯度硅铝材料作为电子封装材料壳体时，低硅铝层可与多种合金进行焊接，高硅铝层与芯片热膨胀系数相匹配；具有内置蛇形流道结构可极大提高封装模块的散热能力，同时该封装模块具有轻质高强的优点。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种具体实施方式一所述基于梯度硅铝合金的内置流道电子封装模块的成形方法，所述方法步骤如下：

步骤一、封装盒体及盖板坯料制备：

将梯度硅铝合金锭用电火花线切割设备制备出尺寸为65×48×15mm的封装盒体坯料，梯度层厚度分布情况为低硅层厚度为3~4mm，中间层及高硅层中硅的厚度总共为11~12mm；同样地，制备出尺寸为65×48×3~5mm的盖板，材料为铝合金，如4047、6061等。

步骤二、蛇形流道加工以及封装盒体与盖板连接表面的精加工：

采用数控铣床在封装盒体低硅层处加工出蛇形流道，流道截面尺寸为1×1.5~1×1.5mm，各流道间距离为1~1.5mm，外侧流道边界距盒体边缘尺寸为5~8mm，如图2所示；对封装盒体与盖板的连接面进行精加工，保证连接面的表面粗糙度Ra≤1.6，表面平行度≤0.05mm；

步骤三、焊前试样表面处理：

将加工完成的封装盒体与盖板的待焊表面置于丙酮溶液中超声5~15min，以除去焊接表面油污以及氧化膜，干燥后备用；

步骤四、扩散焊：

将表面处理后的封装盒体与盖板的焊接面重叠后放入真空扩散焊炉中，预加0.5MPa的压力压紧试样，并抽真空至1.0×10^-3Pa以下，设置焊接温度530~550℃，采用10~15MPa焊接压力焊接成型，并保温60~90min；保温后设置冷却速率5~15℃/min，当温度降至60~80℃，取出空冷；

步骤五、流道耐压值测试：

对焊接后的蛇形流道进行耐压测试，要求耐压值为4MPa，保压时间20~40min，且无渗漏及变形；

将焊接完成的封装模块连接打压泵，设置流道内压力值为4MPa，并保压20~40min，观察焊缝是否渗漏及盖板是否变形；

步骤六、封装模块内腔加工：

采用加工中心对已焊接完成的坯料进行内腔加工，其中内腔各部分尺寸根据实际要求进行加工，至此，具有内置流道结构的封装模块加工完毕。

为保证封装盒体与盖板的可焊性，低硅层的硅含量不高于27%；流道间距不应过小，以防止焊接变形。

实施例1：

选取梯度50Si为封装盒体材料（梯度50Si沿厚度方向成分依次为Al—vol27%Si/Al—vol38%Si/Al—vol50%Si），27Si为盖板材料，采用电火花线切割设备制备出尺寸分别为65×48×15mm的封装盒体坯料与65×48×3mm的盖板坯料，盒体梯度层厚度为27Si层为3mm，其余为12mm；采用加工中心对封装盒体坯料的低硅层与盖板的焊接面进行精加工，使得加工后的表面粗糙度为1.6，平行度≤0.05mm，并在封装盒体低硅层上加工截面尺寸为1.5×1.5mm，间距为1mm，个数为14的蛇形流道，外侧流道距离盒体边缘尺寸为7mm；将加工好的流道与盖板置于丙酮溶液中超声清理10min，除去表面油污与氧化膜；将表面处理后的盒体与盖板重叠放置于真空扩散焊炉内，并预加0.5MPa的压力以夹紧试样，并抽真空至1.0×10^{- 3}Pa以下，设置焊接温度550℃，采用15MPa焊接压力焊接成型，并保温90min；保温后设置冷却速率10℃/min，当温度降至80℃，取出空冷；将焊接完成的封装模块连接打压泵，设置流道内压力值为4MPa，并保压30min，观察发现焊缝无渗漏盖板未发生明显变形；采用加工中心对已焊接完成的坯料进行内腔加工，其中内腔各部分尺寸根据实际要求进行加工。

本实施例制备的封装模块在某型号上应用后，当量热导率由150w/mk提高到1600w/mk，满足了电子模块产品的散热需求。

实施例2：

选取梯度50Si为封装盒体材料（梯度50Si沿厚度方向成分依次为Al—vol27%Si/Al—vol38%Si/Al—vol50%Si），4047为盖板材料，采用电火花线切割设备制备出尺寸分别为65×48×15mm的封装盒体坯料与65×48×3mm的盖板坯料，盒体梯度层厚度为27Si层为3mm，其余为12mm；采用加工中心对封装盒体坯料的低硅层与盖板的焊接面进行精加工，使得加工后的表面粗糙度为1.6，平行度≤0.05mm，并在封装盒体低硅层上加工截面尺寸为1.5×1.5mm，间距为1mm，个数为14的蛇形流道，外侧流道距离盒体边缘尺寸为7mm；将加工好的流道与盖板置于丙酮溶液中超声清理10min，除去表面油污与氧化膜；将表面处理后的盒体与盖板重叠放置于真空扩散焊炉内，并预加0.5MPa的压力以夹紧试样，并抽真空至1.0×10^{- 3}Pa以下，设置焊接温度540℃，采用12MPa焊接压力焊接成型，并保温80min；保温后设置冷却速率10℃/min，当温度降至80℃，取出空冷；将焊接完成的封装模块连接打压泵，设置流道内压力值为4MPa，并保压30min，观察发现焊缝无渗漏盖板未发生明显变形；采用加工中心对已焊接完成的坯料进行内腔加工，其中内腔各部分尺寸根据实际要求进行加工。

实施例3：

选取梯度50Si为封装盒体材料（梯度50Si沿厚度方向成分依次为Al—vol27%Si/Al—vol38%Si/Al—vol50%Si），6061为盖板材料，采用电火花线切割设备制备出尺寸分别为65×48×15mm的封装盒体坯料与65×48×3mm的盖板坯料，盒体梯度层厚度为27Si层为3mm，其余为12mm；采用加工中心对封装盒体坯料的低硅层与盖板的焊接面进行精加工，使得加工后的表面粗糙度为1.6，平行度≤0.05mm，并在封装盒体低硅层上加工截面尺寸为1.5×1.5mm，间距为1mm，个数为14的蛇形流道，外侧流道距离盒体边缘尺寸为7mm；将加工好的流道与盖板置于丙酮溶液中超声清理10min，除去表面油污与氧化膜；将表面处理后的盒体与盖板重叠放置于真空扩散焊炉内，并预加0.5MPa的压力以夹紧试样，并抽真空至1.0×10^{- 3}Pa以下，设置焊接温度530℃，采用10MPa焊接压力焊接成型，并保温60min；保温后设置冷却速率10℃/min，当温度降至80℃，取出空冷；将焊接完成的封装模块连接打压泵，设置流道内压力值为4MPa，并保压30min，观察发现焊缝无渗漏盖板未发生明显变形；采用加工中心对已焊接完成的坯料进行内腔加工，其中内腔各部分尺寸根据实际要求进行加工。