CN100534673C

CN100534673C - 一种喷射沉积成形Si-Al合金的制备方法

Info

Publication number: CN100534673C
Application number: CNB2004100390579A
Authority: CN
Inventors: 杨滨; 张济山; 尧军平; 陈美英
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: CN1557585A

Abstract

本发明提供了一种喷射沉积成形Si-Al合金的制备方法，其特征在于：先制备25～50重量%Si-Al中间合金锭。然后采用喷射沉积成形方法制备50～70重量%Si-Al合金。喷射成形工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.6～0.8MPa；沉积距离：400～600mm；导流管直径：3.2～4.0mm。本发明的优点在于Si-Al合金的热膨胀系数可调，范围为6～13×10^-6/K，热导率为110～150W/mK，密度为2.4～2.5g/cm³。可广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其它相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

Description

一种喷射沉积成形Si-Al合金的制备方法

技术领域

本发明属于硅铝合金制备技术和电子封装材料领域，特别是提供了一种喷射成形低热膨胀系数、高热传导率、低密度和可加工的高硅铝合金的制备方法，广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其它相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

背景技术

近年来，随着电子封装业向高密度、高速度方向发展，开发具有良好导热能力的材料以满足集成度提高带来的散热要求成为当务之急。

理想的先进电子封装材料应该具有与砷化镓和硅等典型半导体材料相匹配，或略高的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，简称CTE)、高的热传导率(＞100W/m·K)和低的密度(＜3g/cm³)。此外，希望封装材料具有合理的刚度(＞100GPa)，可以为对机械作用敏感的部件和基板提供足够的机械支撑。它还需要易于进行精密加工成形，并可利用经济的工业标准方法，如电镀等，进行涂装处理。金属封装因其外壳可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融合为一体，使封装形状多样化，散热快，体积小，成本低，而且还有利于减小信号间的电感、电容及串扰等，而成为一类重要的封装材料。

传统的金属电子封装材料(不包括颗粒增强金属基复合材料)及其关键性能如表1所示。其中，纯铝和铜通常被用作散热型电子封装材料，因为它们的热传导率高达200～390W/m·K。但是，这些材料的热膨胀系数较大，与陶瓷基片的热匹配性能差，对提高器件整体的可靠性不利。为了降低材料的热膨胀系数，将Cu与热膨胀系数较小的Mo和W混合(粉末冶金或冷轧)形成复合材料，可以获得较高的导热效果，但封装结构的重量明显增加，这对航空航天封装应用是一个致命的弱点。而且，Cu-Mo和Cu-W之间润湿性差，复合材料气密性不好，致密化程度低，封装性能受到影响。含Be的材料具有毒性，限制了该材料的应用。其它材料，如Kovar(Fe-29Ni-17Co)和Invar(Ni-Fe)合金，虽然具有较低的热膨胀系数，但电阻大，导热能力较差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W、Mo具有与Si相近的线膨胀系数，导热性比Kovar和Invar合金好，因此常用于半导体Si片的支撑材料。但由于W、Mo与Si的浸润性不好、可焊性差，常需要在表面镀或涂覆特殊的Ag基合金或Ni，使工艺变得复杂且可靠性差。而且W、Mo价格较为昂贵，密度大，不适合大量使用。由此可见，目前传统的金属电子封装材料无法满足现代电子封装综合性能的要求。

表1典型金属电子封装材料的关键性能数据

Si-Al合金已被证明是一个综合性能满足先进电子封装要求的材料体系(M.Jacobson and S.P.S.Sangha，Future trends in materials for lightweightmicrowave packaging，Microelectronics Int.，1998，15，No3：47。S.P.S.Sangha，NovelAluminum Silicon Alloys for Electronics packaging，Journal of Engineering Scienceand Education，1997，No 11：195)。本发明中，硅作为合金的基本成分之一，具有低热膨胀系数(CTE为4.1×10^-6/K)、高热导率(150W/m·K)、低密度(2.34g/cm³)、化学性质稳定、成本低廉、来源丰富等优点。其主要缺点是熔点高(1414℃)、材料的脆性大。通过在Si中加入适量的低熔点Al，可以有效地降低合金的熔点，提高材料的断裂韧性，改善材料的可加工性能。

含硅量较低的Si-Al合金可以通过铸造方法成形。但是，在50～70重量％Si成分范围内，Si-Al合金铸态显微组织主要由大而孤立的、多面化和高纵横比的一次Si晶体组成，这显然对材料的力学性能和加工性能不利。通常针状一次硅相颗粒的尺寸为毫米级，易导致材料组织极度各向异性，不适合于电子封装的应用。例如，用于电子封装的板材厚度一般为1-5mm，如果采用铸造材料，单个的Si晶体将有可能穿透整个板厚。这将使材料极难加工到表面涂装所需的高精度质量，因为Si颗粒易于沿择优晶体学平面，发生单方向开裂。此外，由于大尺寸Si颗粒的存在，使得材料局部的CTE和热传导率将发生大幅度变化。一般认为具有这样显微组织的合金没有工程应用价值。

通过采用粉末冶金技术有助于形成细小、各向同性的显微组织。但是粉末冶金技术往往涉及复杂的工序，造成成本的增加，所以一直未能在Si-Al合金的制备中获得推广应用。可以达到以上目的的另一项工业化技术就是喷射沉积成形技术。在喷射成形过程中，将熔融金属通过雾化器用高速惰性气体进行雾化，产生细小的雾滴(一般直径为～40μm)。这些雾滴在一个冷态旋转的基板上沉积，经历快速凝固后形成具有细小的各向同性组织的坯件。经过雾化的Si-Al合金熔滴在飞行过程中即开始形成Si的晶体，在沉积坯表面凝固相被破碎产生了大量的Si相形核位置，这些核心长大并相互碰撞限制了Si相的长大过程，使之无法形成铸造组织中那样的孤立的、高度取向性的Si颗粒，而且所形成的Si晶体随机取向，解决了显微组织与性能各向异性的问题。结果使沉积坯结构上实现连贯性，产生各向同性的合金组织和性能，并且有利于表面的精细加工。经过适当的后续处理消除沉积过程中形成的少量疏松后，这些沉积坯件就可以用来制造各种高性能的封装部件。显然，低密度、低热膨胀、高热传导和可加工Si-Al合金属于可控热膨胀材料(可根据需要，通过成分调整，控制合金的热膨胀系数)，具有良好的综合封装工艺性能优势。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种低热膨胀系数、高热传导率、低密度和可加工的高硅铝合金的制备方法，广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其它相关工业电子元器件所需的新型封装或散热材料。

本发明的构成：采用中频感应电炉预制25～50重量％Si-Al中间合金，然后根据最终目标成分通过向中间合金中添加Si的方式用喷射沉积成形方法获得最终的50～70重量％Si-Al合金；具体方法如下：

1、中间合金的制备：

将占25～50重量％的纯Si，其余为工业纯Al的原材料放入中频感应电炉中升温熔化，浇铸成中间合金锭备用。纯Si和工业纯Al均为块状物。

2、喷射沉积成形50～70重量％Si-Al合金的制备：将上述中间合金锭放入中频感应电炉坩埚中。根据50～70重量％Si-Al合金成分要求，视需要添加0～45重量％的纯Si升温熔化(中间合金为50重量％Si-Al、同时制备喷射沉积成形50重量％Si-Al合金时，不需添加纯Si)。然后采用喷射沉积成形方法制备50～70重量％Si-Al合金。喷射成形工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.6～0.8MPa；沉积距离：400～600mm；导流管直径：3.2～4.0mm。

本发明的优点在于：

(1)均匀、各向同性的优异物理性能：低热膨胀系数(可根据需求调节，范围：6～13×10^-6/K)。可根据不同的封装匹配材料，设计所需的Si-Al合金材料，尽可能使两者的热膨胀系数匹配；低密度(2.4～2.5g/cm³)，特别适合航空航天电子元器件封装应用；高热导率(110～150W/mK)，满足集成度提高带来的散热要求；低电导(＜10^-6Wm)；高刚度(比刚度＞44GPa cm³/g)；良好的热机械稳定性(使用温度可达500℃)；

(2)良好的可加工和封装工艺性能：采用碳化物或多晶金刚石刀具可以较容易地获得较高的加工精度；易于加工成不同的形状(包括各种凹槽、窄槽和边角等)；环境友好，不含有害健康的元素，易于循环处理；易于进行镀金、银和镍等表面涂装处理；良好的焊接性能。

附图说明

图1是本发明中的(a)喷射成形60重量％Si-Al合金和(b)喷射成形70重量％Si-Al合金的显微组织。

图2是本发明中的喷射成形Si-Al合金的线膨胀系数与硅含量的实验数据图。横坐标为Si含量、重量百分比；纵坐标为线膨胀系数，单位为10^-6/K。

图3是本发明中的喷射成形Si-Al合金的热传导率与温度的实验数据图。横坐标为温度、℃；纵坐标为热传导率，单位为W/mK。

图4是本发明中的喷射成形Si-Al合金的电阻率与硅含量的实验数据图。横坐标为Si含量、重量百分比；纵坐标为电阻率，单位为10^-6/Ωm。

图5是本发明中的喷射成形50重量％Si-Al合金机加工零部件(25×15×5mm)示例图。零件表面粗糙度R_a≤1.6μm。

具体实施方式

实施例1

制备50重量％Si-Al合金。用150公斤中频感应电炉熔制50重量％Si-Al中间合金锭。将块度为4～6mm、重量为15公斤的纯Si和15公斤的工业纯Al放入中频感应电炉坩埚中，升温使其熔化，浇铸成中间合金锭备用。将上述中间合金锭重熔，用喷射沉积成形方法制备50重量％Si-Al合金。工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.7MPa；沉积距离：550mm；导流管直径：3.6mm。材料的热膨胀系数为10.6×10^-6/K。热导率为121W/mK(150℃)。电阻率为0.4×10^-6Ωm。

实施例2

制备60重量％Si-Al合金。用150公斤中频感应电炉熔制30重量％Si-Al中间合金锭。将块度为4～6mm、重量为3公斤的纯Si和7公斤的工业纯Al放入中频感应电炉坩埚中，升温使其熔化，浇铸成中间合金锭备用。将上述中间合金锭重熔，补加4.3公斤的纯Si、用喷射沉积成形方法制备60重量％Si-Al合金。工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.8MPa；沉积距离：600mm；导流管直径：3.8mm。材料的热膨胀系数为9.1×10^-6/K。热导率为113W/mK(150℃)。电阻率为0.9×10^-6Ωm。沉积态60重量％Si-Al合金的密度为2.3164g/cm³，热等静压后密度为2.4486g/cm³，接近于该合金的理论密度。

实施例3

制备70重量％Si-Al合金。用150公斤中频感应电炉熔制30重量％Si-Al中间合金锭。将块度为4～6mm、重量为6公斤的纯Si和14公斤的工业纯Al放入中频感应电炉坩埚中，升温使其熔化，浇铸成中间合金锭备用。将上述中间合金锭重熔，补加13.3公斤的纯Si，用喷射沉积成形方法制备70重量％Si-Al合金。工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.75MPa；沉积距离：590mm；导流管直径：4.0mm。材料的热膨胀系数为8.1×10^-6/K。电阻率为1.6×10^-6Ωm。

Claims

1、一种喷射沉积成形Si-Al合金的制备方法，其特征在于：采用中频感应电炉预制30重量％Si-Al中间合金，然后根据最终目标成分，向中间合金中添加Si，用喷射沉积成形方法获得的51或58重量％Si-Al合金；

具体方法如下：

a、中间合金的制备：将占30重量％的纯Si，其余为工业纯Al的原材料放入中频感应电炉中升温熔化，浇铸成中间合金锭备用，纯Si和工业纯Al均为块状物；

b、喷射沉积成形51或58重量％Si-Al合金的制备：将上述中间合金锭放入中频感应电炉坩埚中，根据51或58重量％Si-Al合金成分要求，视需要添加30或40重量％的纯Si升温熔化，然后采用喷射沉积成形方法制备51或58重量％Si-Al合金；喷射成形工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；雾化压力：0.6～0.8MPa；沉积距离：400～600mm；导流管直径：3.2～4.0mm。