CN108866545B - 一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的方法 - Google Patents

一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的方法，其特征在于：以铸造铝硅合金为基体，以通过快速凝固的方式加工成的铝硅合金甩带材料为熔覆材料，利用激光器进行激光熔覆，使不同质量百分比的铝硅合金甩带材料在基体表面逐层堆积，从而获得组元呈梯度分布的铝硅电子封装材料。本发明通过激光熔覆，利用铝硅合金甩带材料制备铝硅梯度材料，具有梯度层成型速度快、制备用时短、梯度层厚度易于控制等优点，而且自动化程度高，易于大规模工业生产应用。

Description

一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的 方法
技术领域
本发明属于铝硅合金材料制备技术领域，具体涉及一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的方法。
背景技术
近年来，在电子封装领域，对封装材料的要求正朝着轻便、小型化、低成本和高性能方向发展。传统的金属材料及塑料制品不能满足对于其高热导、低膨胀系数和良好加工性能的要求。而高硅铝合金的研制成功将使其成为满足电子通讯、航空航天、国防和其他相关电子元器件所需求的新型封装材料。
成分均匀的高硅铝合金尽管性能较好，但很多时候，在使用过程中，希望高硅铝合金在组元成分上呈梯度变化，如内部高韧性、表面高强度。新型梯度铝硅电子封装材料不仅具有低的热膨胀系数、较高的热导率、较小的密度，并且还具有复合要求放入良好力学性能、机械加工性能，因此越来越受到电子封装行业研究人员的重视。
常规制备方法如粉末冶金法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、离心铸造法、等离子喷涂法等，制备效果不理想、设备昂贵、工艺繁琐，且难以得到铝硅成分梯度变化的材料，在铝硅梯度材料制备的实际应用中很难得到广泛推广。一种新型制备铝硅梯度材料的方法是现阶段生产铝硅梯度材料急需的。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种采用甩带材料为熔覆材料，通过激光熔覆制备梯度铝硅电子封装材料的方法。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明公开了一种通过激光熔覆制备梯度铝硅电子封装材料的方法，其特征在于：以铸造铝硅合金为基体，以通过快速凝固的方式加工成的高硅铝合金甩带材料为熔覆材料，进行激光熔覆，使不同质量百分比的铝硅合金甩带材料在基体表面逐层堆积，从而获得组元呈梯度分布的铝硅电子封装材料。具体包括如下步骤：
(1)基体制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为10％-60％的铝硅合金板材；对所述铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)甩带材料制备
通通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼所需硅质量百分含量的铝硅合金，快速凝固获得所需硅质量百分含量的铝硅合金甩带材料；
(3)第一层激光熔覆
以步骤(1)所获得的铸造铝硅合金板材作为基体，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得的硅质量百分含量为a1的铝硅合金甩带为熔覆材料，固定在基体上表面，对基体的整个上表面进行第一层激光熔覆，熔覆层厚度h1在10-3000μm范围内，熔覆层与基体的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000021
则第一层熔覆层与基体的重合度为k1，
Figure GDA0002256116020000022
60％≥k1≥10％；
熔覆完成后，第一层熔覆层的硅含量均匀，则第一层熔覆层的硅质量百分含量为m1：
Figure GDA0002256116020000023
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w；
(4)第二层激光熔覆
将步骤(3)进行完第一层激光熔覆后的铝硅合金板材，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为a2的铝硅合金甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第二层激光熔覆，熔覆层厚度h2在10-3000μm范围内，第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000024
则第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合度为k2，
Figure GDA0002256116020000025
60％≥k2≥10％；
熔覆完成后，第二层熔覆层的硅含量均匀，则第二层熔覆层的硅质量百分含量为m2：
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w；
(5)第n层激光熔覆
以此类推，按步骤(4)相同的方法，将进行完第n-1层激光熔覆后的铝硅合金板材，n≥1，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为an的铝硅合金甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第n层激光熔覆，熔覆层厚度hn在10-200μm范围内，第n层熔覆层与第n-1层熔覆层的重合区域厚度为则第n层熔覆层与第n-1层熔覆层的重合度为kn，
Figure GDA0002256116020000028
60％≥kn≥10％；
熔覆完成后，第n层熔覆层的硅含量均匀，则第n层熔覆层的硅质量百分含量为mn：
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w。
优选的，70％≥a1≥a2≥。。。≥an≥0。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过激光熔覆，利用铝硅合金甩带材料作为熔覆材料制备铝硅梯度材料，具有梯度层成型速度快、制备用时短、梯度层厚度易于控制等优点，而且自动化程度高，易于大规模工业生产应用。
2、本发明在加工过程中，由于其快速凝固特点，可以获得内部组织细小的材料，力学性能更为优良，且由于采用甩带材料作为熔覆材料，避免了金属粉末颗粒度及氧化程度对其成型效果的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)基体制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为20％、厚度H＝8mm的铝硅合金板材，具体方法为：将60g的硅块与240g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为8mm的板状材料。对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)甩带材料制备
通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼所需硅质量百分含量铝硅合金，快速凝固成所需硅质量百分含量的铝硅合金甩带材料(包括硅质量百分含量为10％、5％的铝硅甩带材料)；
(3)第一层激光熔覆
以步骤(1)所获得的铸造铝硅合金板材作为基体，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为a1＝10％的铝硅甩带材料为熔覆材料，用有机粘结剂固定在基体表面，对基体的整个上表面进行第一层激光熔覆，熔覆层厚度h1＝1mm，熔覆层与基体的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000031
则第一层熔覆层与基体的重合度为k1＝50％；
熔覆完成后，第一层熔覆层的硅含量均匀，则第一层熔覆层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝15％
其中：扫描速度为800mm/min、激光功率为1200W、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min；
(4)第二层激光熔覆
将步骤(3)进行完第一层激光熔覆后的铝硅合金，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得的硅质量百分含量为5％的铝硅甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第二层激光熔覆，熔覆层厚度h2＝1mm，第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000041
则第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合度为k2＝50％；
熔覆完成后，第二层熔覆层的硅含量均匀，则第二层熔覆层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝10％
其中：扫描速度为800mm/min、激光功率为1200W、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min。
由上可知，经过两次激光熔覆，本实施例获得了硅质量百分含量依次为20％-15％-10％的梯度铝硅电子封装材料。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)基体制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为40％、厚度H＝8mm的铝硅合金板材，具体方法为：将120g的硅块与180g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为8mm的板状材料。
对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)甩带材料制备
通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼所需硅质量百分含量铝硅合金，快速凝固成所需硅质量百分含量的铝硅合金甩带材料(包括硅质量百分含量为20％、10％、0％的铝硅甩带材料)；
(3)第一层激光熔覆
以步骤(1)所获得的铸造铝硅合金板材作为基体，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为20％的Al-20Si甩带材料为熔覆材料，用有机粘结剂固定在基体表面，对基体的整个上表面进行第一层激光熔覆，熔覆层厚度h1＝1mm，熔覆层与基体的重合区域厚度为则第一层熔覆层与基体的重合度为k1＝50％；
熔覆完成后，第一层熔覆层的硅含量均匀，则第一层熔覆层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝30％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600w、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min；
(4)第二层激光熔覆
将步骤(3)进行完第一层激光熔覆后的铝硅合金，固定在激光熔覆设备工作台上，以硅质量百分含量为10％的Al-10Si甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第二层激光熔覆，熔覆层厚度h2＝1mm，第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000051
则第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合度为k2＝50％；
熔覆完成后，第二层熔覆层的硅含量均匀，则第二层熔覆层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝20％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600w、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min。
(5)第三层激光熔覆
将步骤(3)进行完第二层激光熔覆后的铝硅合金，固定在激光熔覆设备工作台上，以硅质量百分含量为0％的纯Al甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第三层激光熔覆，熔覆层厚度h2＝1mm，第三层熔覆层与第二层熔覆层的重合区域厚度为则第三层熔覆层与第二层熔覆层的重合度为k3＝50％；
熔覆完成后，第三层熔覆层的硅含量均匀，则第三层熔覆层的硅质量百分含量为m3：
m3＝(1-k3)×a3+k3m2＝10％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600w、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min。
由上可知，经过三次激光熔覆，本实施例获得了硅质量百分含量依次为40％-30％-20％-10％的梯度铝硅电子封装材料。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)基体制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为60％、厚度H＝8mm的铝硅合金板材，具体方法为：将90g的硅块与60g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为8mm的板状材料。
对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)甩带材料制备
通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼所需硅质量百分含量铝硅合金，快速凝固成所需硅质量百分含量的铝硅合金甩带材料(包括硅质量百分含量为30％、15％、0％的铝硅甩带材料)；
(3)第一层激光熔覆
以步骤(1)所获得的铸造铝硅合金板材作为基体，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为30％的铝硅甩带材料为熔覆材料，用有机粘结剂固定在基体表面，对基体的整个上表面进行第一层激光熔覆，熔覆层厚度h1＝1mm范围内，熔覆层与基体的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000061
则第一层熔覆层与基体的重合度为k1＝50％；
熔覆完成后，第一层熔覆层的硅含量均匀，则第一层熔覆层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝45％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600W、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min；
(4)第二层激光熔覆
将步骤(3)进行完第一层激光熔覆后的铝硅合金，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为15％的铝硅甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第二层激光熔覆，熔覆层厚度h2＝1mm，第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000062
则第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合度为k2＝50％；
熔覆完成后，第二层熔覆层的硅含量均匀，则第二层熔覆层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝30％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600W、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min。
(5)第三层激光熔覆
将步骤(3)进行完第二层激光熔覆后的铝硅合金，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为0％的纯铝甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第三层激光熔覆，熔覆层厚度h2＝1mm，第三层熔覆层与第二层熔覆层的重合区域厚度为
Figure GDA0002256116020000063
则第三层熔覆层与第二层熔覆层的重合度为k3＝50％；
熔覆完成后，第三层熔覆层的硅含量均匀，则第三层熔覆层的硅质量百分含量为m3：
m3＝(1-k3)×a3+k3m2＝15％
其中：扫描速度为500mm/min、激光功率为600W、光斑直径0.6mm，离焦量为1mm，保护气体为氩气，气体流量为12L/min。
由上可知，经过三次激光熔覆，本实施例获得了硅质量百分含量依次为60％-45％-30％-15％的梯度铝硅电子封装材料。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通过激光熔覆甩带材料制备梯度铝硅电子封装材料的方法，其特征在于：以铸造铝硅合金为基体，以通过快速凝固的方式加工成的铝硅合金甩带材料为熔覆材料，进行激光熔覆，使不同质量百分比的铝硅合金甩带材料在基体表面逐层堆积，从而获得组元呈梯度分布的铝硅电子封装材料；具体包括如下步骤：
(1)基体制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为10％-60％的铝硅合金板材；对所述铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)甩带材料制备
通过感应熔炼，利用电磁感应和电热转换所产生的热量来熔炼所需硅质量百分含量的铝硅合金，快速凝固获得所需硅质量百分含量的铝硅合金甩带材料；
(3)第一层激光熔覆
以步骤(1)所获得的铝硅合金板材作为基体，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得的硅质量百分含量为a1的铝硅合金甩带材料为熔覆材料，固定在基体上表面，对基体的整个上表面进行第一层激光熔覆，熔覆层厚度h1在10-3000μm范围内，熔覆层与基体的重合区域厚度为
Figure FDA0002256116010000011
则第一层熔覆层与基体的重合度为k1，
Figure FDA0002256116010000012
60％≥k1≥10％；
熔覆完成后，第一层熔覆层的硅含量均匀，则第一层熔覆层的硅质量百分含量为m1：
Figure FDA0002256116010000013
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w；
(4)第二层激光熔覆
将步骤(3)进行完第一层激光熔覆后的铝硅合金板材，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得的硅质量百分含量为a2的铝硅合金甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第二层激光熔覆，熔覆层厚度h2在10-3000μm范围内，第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合区域厚度为
Figure FDA0002256116010000014
则第二层熔覆层与第一层熔覆层的重合度为k2，
Figure FDA0002256116010000015
60％≥k2≥10％；
熔覆完成后，第二层熔覆层的硅含量均匀，则第二层熔覆层的硅质量百分含量为m2：
Figure FDA0002256116010000016
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w；
(5)第n层激光熔覆
以此类推，按步骤(4)相同的方法，将进行完第n-1层激光熔覆后的铝硅合金板材，n≥1，固定在激光熔覆设备工作台上，以步骤(2)所获得硅质量百分含量为an的铝硅合金甩带材料为熔覆材料对其整个上表面进行第n层激光熔覆，熔覆层厚度hn在10-200μm范围内，第n层熔覆层与第n-1层熔覆层的重合区域厚度为
Figure FDA0002256116010000023
则第n层熔覆层与第n-1层熔覆层的重合度为kn，60％≥kn≥10％；
熔覆完成后，第n层熔覆层的硅含量均匀，则第n层熔覆层的硅质量百分含量为mn：
Figure FDA0002256116010000022
其中：激光熔覆的参数为，扫描速度为100-5000mm/min、激光功率为100-5000w。
2.根据权利要求1所述的通过激光熔覆制备梯度铝硅电子封装材料的方法，其特征在于：70％≥a1≥a2≥。。。≥an≥0。
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