CN104213004B - 一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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本发明属于铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法。本发明通过将硅粉和铝粉按比例在混料罐中均匀混合制成粉末混合物，粉末混合物经过冷等静压、高温高真空除气、热等静压致密化处理获得100%致密、内部无孔隙的Si/Al复合材料坯锭。本发明方法工艺简单和稳定，成本低，是制备高可靠和质量稳定的封装材料的首选方法之一。该方法制备的Si/Al复合材料不仅具有轻质低膨胀和高导热特征，还具有较高且稳定的力学性能，尤其具备良好的激光焊接工艺性能和高气密性特征，是一类功能结构一体化的先进铝基复合材料，可作为微电子器件和光电器件的气密封装外壳应用。

Description

一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
现电子装备的微电路组件逐渐向小型轻量化、高工作频率、高功率密度、高集成度和高可靠性方向发展。作为微电路组件的重要组成部分，金属封装壳体起着机械支撑、散热通道、信号传输、芯片和基板保护等重要作用，其要求封装壳体材料必须具备高导热（芯片散热）、低热膨胀系数（与陶瓷基板匹配以减少热应力），优异的气密性（满足组件气密封装要求）、良好的机加工与连接性能。传统的Cu、Al、Ti、Kovar合金、W/Cu等金属材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法满足封装壳体越来越高的使用要求。与传统封装壳体材料相比，Al/(50～75%)SiC复合材料具有热导率高、膨胀系数与GaAs芯片匹配性较好、密度低的优势，在国外获得了批量应用。但是，由于Al/SiC复合材料中陶瓷含量高，焊接工艺性差，基本不能适用熔化焊接技术；且机加工性能也较差，难以满足微电子器件大批量、稳定制造和快速加工的要求。
硅颗粒增强铝基复合材料（40～70wt.%Si/Al）是在过去20年中迅速发展起来的一类功能结构铝基复合材料，是一种理想的轻质电子封装材料，它是由高含量硅颗粒均匀弥散分布在铝基体中形成的颗粒增强铝基复合材料。Si/Al复合材料具有与GaAs器件相匹配的热膨胀系数、高导热率、低密度、合适的刚度，易于精密加工成型，具有熔化焊接和表面涂覆工艺性能，与标准微电子组装工艺相容的特点。上世纪90年代国外已采用喷射成形技术研制了综合性能较好、可激光焊接的Si/Al封装材料。过去10年，国内陆续开展了Si/Al封装材料研究，并申请了多项铝硅电子封装材料及制备工艺的发明专利。
作为微波器件或光电器件的气密封装外壳材料，必须具备良好的熔化焊接性能，如采用标准激光焊接工艺组装成密闭壳体后具有高气密性（GJB548规定He气质谱检测漏气率不超过2×10-8Pa·m3/s），以满足高效率低成本的组装制造要求和器件高稳定长寿命运行的要求。良好的激光焊接工艺性能和高气密性要求材料自身必须100%致密且内部无微观孔隙，材料组织细小均匀。材料内部孔隙在激光焊接环节中将引发严重的焊接气孔问题，焊接气孔将导致连接强度和封装气密性无法满足要求；还会导致材料力学性能差、组织性能不均匀，易引发应力集中，使壳体零件无法承受机加工、熔化焊接和钎焊等工艺引起的应力和变形，从而对基板和芯片起不到长期有效的机械保护作用。
典型的封装用硅颗粒增强铝基复合材料为中/高体分复合材料，此类材料由于脆性增强颗粒含量高，材料塑性差，基本无法进行热挤压或热锻造变形加工，材料只能依靠制备过程实现组织致密化。因此亟待开发一种适用于轻质低膨胀、可激光焊接、高封装气密性的铝基复合材料的制备方法。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法。
一种可激光焊接的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据所设计的铝基复合材料的重量，按照铝基复合材料中硅含量为20wt%～60wt%，铝含量为40wt%～80wt%的比例称取硅粉和铝合金粉；
（2）将按照步骤（1）称取的硅粉、铝合金粉和不锈钢球投入锥形混料罐中混料5～40小时，获得均匀的Si-Al粉末混合物；
其中，不锈钢球与Si-Al粉末混合物的重量比为（0.5～3）：1，混料机转速为30～100r/min；
（3）将步骤（2）制得的Si-Al粉末混合物装入橡胶包套中冷等静压制成相对致密度为65%～75%的冷等静压坯锭；
其中，冷等静压的压强为150～200MPa，保压时间为5～30min；
（4）将步骤（3）制备的冷等静压坯锭装入铝包套中进行真空除气处理；
所述的真空除气处理方法如下：在铝包套内部真空值不高于2×10-2Pa的条件下，加热冷等静压坯锭，使冷等静压坯锭以10～30℃/h的升温速率升温至505～590℃，然后保持505～590℃至少1小时；除气完成后，铝包套封口前，其内部真空值应不高于于2×10-3Pa，并能保持至少30min；
（5）将经步骤（4）真空除气后的冷等静压坯锭进行热等静压致密化加工处理，得到完全致密的热等静压坯锭；
其中，热等静压处理的温度为505～590℃，压强为100～150MPa，保温时间2～5h；
（6）将步骤（5）得到的热等静压坯锭去除铝包套即得到一种可激光焊接的铝基复合材料。
所述硅粉中硅含量不低于99.9wt%，杂质元素Fe、Al和Ca的含量均不高于0.02wt%；硅粉的粒径为1μm～50μm，平均粒径为5μm～20μm。
所述铝合金粉的化学成分按重量百分比计为Cu：0～4.5%、Fe：0～0.3%、Si：0～0.1%、Ni：0.2～2.0%、O：0～0.2%、其余为Al；所述铝合金粉的粒径为1μm～80μm，平均粒径为3μm～30μm。
一种可激光焊接的铝基复合材料，所述铝基复合材料是以硅颗粒作为增强体、铝作为连续型基体的颗粒增强铝基复合材料；所述铝基复合材料是通过权利要求1所述的制备方法所制备得到的，其中硅颗粒的含量为20wt%～60wt%，铝基体的含量为40wt%～80wt%。
所述硅颗粒中硅含量不低于99.9wt%，杂质元素Fe、Al和Ca的含量均不高于0.02wt%。
所述铝基体的化学成分按重量百分比计为Cu：0～4.5%、Fe：0～0.3%、Si：0～0.1%、Ni：0.2～2.0%、O：0～0.2%、其余为Al。
本发明的有益效果为：
本发明方法具有如下优点：（1）粉末冶金工艺可对高气密封装壳体用铝基复合材料进行设计制备，精确控制材料组织成分（如硅颗粒含量、硅颗粒尺寸、硅颗粒分布、铝基体的成分等）来获得相应的综合性能；（2）该制备方法把影响材料品质、稳定性和可靠性的几个关键组织特征分别依靠某一个工序过程为主来控制，如原料硅粉末粒度的选择基本确定了最终坯锭中硅颗粒的粒度及粒度分布范围，混合工艺基本确定了硅颗粒在铝基体中的分布情况，冷等静压坯锭的致密度可以完全保证粉末之间的孔隙连通，真空热除气可以保证坯锭中不会残留气体，热等静压致密化过程可以稳定形成均匀一致的Si-Al界面结合，整个流程完成后，基本可以实现微观组织特征较为精确量化控制，有利于控制材料的稳定性和可靠性；（3）本发明方法易于实现工程化，原材料利用率高，工艺成本低，是制备高性能、高可靠、性能质量高度一致的封装材料的最具竞争力的工艺之一。
使用本发明方法制备的铝基复合材料与传统的类似成分的铝硅材料相比，不仅具有完全致密、可激光焊接和高气密性，还具有低密度、低热膨胀系数、高导热率、强度性能均匀一致、力学性能数据波动小、机加工性能好等特点，尤其具备良好的激光焊接工艺性能（表现为焊缝表面成形美观、焊缝内部不易形成焊接气孔和裂纹，焊接工艺窗口宽）；并可采用常规机加工手段精密加工制成封装外壳零件；适用于微电子器件和光电器件的气密封装外壳以及散热部件。
附图说明
图1a为实施例1铝基复合材料的光学显微照片，图1b为实施例1铝基复合材料的激光自熔焊缝表面形貌，图1c为实施例1铝基复合材料的焊缝横剖面内部组织照片；
图2a为实施例2铝基复合材料的光学显微照片，图2b为实施例2铝基复合材料的激光自熔焊缝表面形貌，图2c为实施例2铝基复合材料的焊缝横剖面内部组织照片。
具体实施方式
本发明提供了一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1：制备90kg50wt%Si/Al的铝基复合材料：
（1）称取平均粒径为5.5μm的硅粉45kg和平均粒径为4.6μm的铝合金粉45kg；
（2）将按照步骤（1）称取的硅粉和铝合金粉，和90kg的不锈钢球投入锥形混料罐中混料30小时，获得均匀的Si/Al粉末混合物；混料机转速为50r/min；
（3）将步骤（2）制得的Si/Al粉末混合物装入尺寸为φ380mm×H645mm的橡胶包套中冷等静压制成相对致密度为69%的冷等静压坯锭；冷等静压的压强为200MPa，保压时间为15min；
（4）将步骤（3）制备的冷等静压坯锭装入尺寸为φ340mm×H580mm的铝包套中进行真空除气处理；方法如下：在铝包套内部真空值不高于2×10-2Pa的条件下，加热冷等静压坯锭，使冷等静压坯锭以10～30℃/h的升温速率升温至575℃，然后保持575℃至少1小时；同时，除气完成后、铝包套封口前铝包套内部真空值为2×10-3Pa并能保持30min以上；
（5）将经步骤（4）真空除气后的冷等静压坯锭进行热等静压致密化加工处理，得到完全致密的热等静压坯锭；热等静压处理的温度为575℃，压强为150MPa，保温时间5h；
（6）将步骤（5）得到的热等静压坯锭去除铝包套即得到外形尺寸为φ300mm×H510mm铝基复合材料，其性能参数见表1，其光学显微照片、激光自熔焊缝表面形貌及焊缝横剖面内部组织照片分别见图1a、图1b和图1c。
实施例2：制备50kg27wt%Si/Al的铝基复合材料：
（1）称取平均粒径为9.2μm的硅粉13.5kg和平均粒径为8.8μm的铝合金粉36.5kg；
（2）将按照步骤（1）称取的硅粉和铝合金粉，和40kg的不锈钢球投入锥形混料罐中混料24小时，获得均匀的Si/Al粉末混合物；混料机转速为80r/min；
（3）将步骤（2）制得的Si/Al粉末混合物装入尺寸为φ280mm×H630mm的橡胶包套中冷等静压制成相对致密度为74%的冷等静压坯锭；冷等静压的压强为150MPa，保压时间为10min；
（4）将步骤（3）制备的冷等静压坯锭装入尺寸为φ248mm×H570mm的铝包套中进行真空除气处理；方法如下：在铝包套内部真空值不高于2×10-2Pa的条件下，加热冷等静压坯锭，使冷等静压坯锭以10～30℃/h的升温速率升温至560℃，然后保持560℃至少1小时；同时，除气完成后、铝包套封口前铝包套内部真空值为2×10-3Pa并能保持30min以上；
（5）将经步骤（4）真空除气后的冷等静压坯锭进行热等静压致密化加工处理，得到完全致密的热等静压坯锭；热等静压处理的温度为560℃，压强为105MPa，保温时间3h；
（6）将步骤（5）得到的热等静压坯锭去除铝包套即得到外形尺寸为φ210mm×H505mm铝基复合材料，其性能参数见表1，其光学显微照片、激光自熔焊缝表面形貌及焊缝横剖面内部组织照片分别见图2a、图2b和图2c。。
表1采用本发明的方法制备的Si/Al复合材料性能数据表
材料 27wt%Si/Al 50wt%Si/Al
密度ρ（g/cm3） 2.60 2.51
弹性模量E（GPa） 91 113
布氏硬度（HB） 80 154
抗拉强度σb（MPa） 148±2 259±5
抗弯强度σf（MPa） 295±7 360±9
热膨胀系数α（10-6/K） 17.0 10.9
热导率γ（W/m·K） 175 154

Claims (5)

1.一种可激光自熔焊接的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)根据所设计的铝基复合材料的重量，按照铝基复合材料中硅含量为20wt％～60wt％，铝含量为40wt％～80wt％的比例称取硅粉和铝合金粉；
(2)将按照步骤(1)称取的硅粉、铝合金粉和不锈钢球投入锥形混料罐中混料5～40小时，获得均匀的Si-Al粉末混合物；
其中，不锈钢球与Si-Al粉末混合物的重量比为(0.5～3)：1，混料机转速为30～100r/min；
(3)将步骤(2)制得的Si-Al粉末混合物装入橡胶包套中冷等静压制成相对致密度为65％～75％的冷等静压坯锭；
其中，冷等静压的压强为150～200MPa，保压时间为5～30min；
(4)将步骤(3)制备的冷等静压坯锭装入铝包套中进行真空除气处理；
所述的真空除气处理方法如下：在铝包套内部真空值不高于2×10-2Pa的条件下，加热冷等静压坯锭，使冷等静压坯锭以10～30℃/h的升温速率升温至505～590℃，然后保持505～590℃至少1小时；除气完成后，铝包套封口前，其内部真空值应不高于2×10-3Pa，并能保持至少30min；
(5)将经步骤(4)真空除气后的冷等静压坯锭进行热等静压致密化加工处理，得到完全致密的热等静压坯锭；
其中，热等静压处理的温度为505～590℃，压强为100～150MPa，保温时间2～5h；
(6)将步骤(5)得到的热等静压坯锭去除铝包套即得到一种可激光焊接的铝基复合材料；
所述铝合金粉的化学成分按重量百分比计为Cu：0～4.5％、Fe：0～0.3％、Si：0～0.1％、Ni：0.2～2.0％、O：0～0.2％、其余为Al；所述铝合金粉的粒径为1μm～80μm，平均粒径为3μm～30μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅粉中硅含量不低于99.9wt％，杂质元素Fe、Al和Ca的含量均不高于0.02wt％；硅粉的粒径为1mm～50mm，平均粒径为5mm～20mm。
3.一种可激光自熔焊接的铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料是以硅颗粒作为增强体、铝作为连续型基体的颗粒增强铝基复合材料；所述铝基复合材料是通过权利要求1所述的制备方法所制备得到的，其中硅颗粒的含量为20wt％～60wt％，铝基体的含量为40wt％～80wt％。
4.根据权利要求3所述的铝基复合材料，其特征在于：所述硅颗粒中硅含量不低于99.9wt％，杂质元素Fe、Al和Ca的含量均不高于0.02wt％。
5.根据权利要求3所述的铝基复合材料，其特征在于：所述铝基体的化学成分按重量百分比计为Cu：0～4.5％、Fe：0～0.3％、Si：0～0.1％、Ni：0.2～2.0％、O：0～0.2％、其余为Al。
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Denomination of invention: Laser weldable aluminum based composite material and preparation method thereof

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Denomination of invention: A laser welding aluminum matrix composite and its preparation method

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Denomination of invention: The invention relates to a laser weldable aluminum matrix composite and a preparation method thereof

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Denomination of invention: A Laser Weldable Aluminum Matrix Composite and Its Preparation Method

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Denomination of invention: A Laser Weldable Aluminum Matrix Composite Material and Its Preparation Method

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