CN109825791B - 一种铝硅合金层状梯度材料及其制备加工与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝硅合金层状梯度材料的制备方法，包括如下步骤：S1：设计铝硅合金层状梯度材料的层数、各层组成和各层厚度，以硅为22～70％、余量为铝的重量百分配比来配制不同硅含量的原料；S2：分别将步骤S1配好的不同硅含量的原料熔炼；S3：采用快速凝固喷射沉积技术，分别用步骤S2得到的不同硅含量的铝硅合金熔体逐层制备铝硅合金层；S4：采用压力烧结对步骤S3得到的锭坯进行致密化处理，得到铝硅合金层状梯度材料。本发明所述方法能够根据应用需求设计材料的梯度结构，其具有可控性好，工艺稳定，制得的梯度材料组织致密、各层之间结合紧密的优点。本发明所述梯度材料的可设计性强，适用于电子封装壳体。

Description

一种铝硅合金层状梯度材料及其制备加工与应用

技术领域

本发明涉及梯度功能材料的技术领域，特别是涉及一种铝硅合金层状梯度材料及其制备与应用。

背景技术

电子封装材料的种类很多，传统的金属基和陶瓷电子封装材料主要包括Cu、Al、Ti、Kovar、W/Cu、Mo/Cu、Al/SiC、Al₂O₃、AlN等。随着现代电子系统向小型化、轻量化、高工作频率、高功率密度、多功能和高可靠性等方向发展，传统的电子封装材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法胜任。

然而，现有均质的铝基复合材料和铝硅合金电子封装材料，仍然很难同时满足热膨胀匹配、高导热、机加工、焊接等方面的要求，比如，低硅含量铝硅合金的力学性能较低，尤其是弹性模量较小；而当硅含量超过50％时，机械性能和焊接性能不理想。

因此，有必要开发一种性能可控性好、能满足各种使用和加工要求的铝硅合金梯度材料以及相应的制备工艺。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种铝硅合金层状梯度材料的制备方法，能够根据应用需求设计材料的梯度结构，其具有可控性好，工艺稳定，制得的梯度材料组织致密、各层之间结合紧密的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种铝硅合金层状梯度材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：设计铝硅合金层状梯度材料的层数、各层组成和各层厚度，以硅为22～70％、余量为铝的重量百分配比来配制不同硅含量的原料；

S2：分别将步骤S1配好的不同硅含量的原料熔炼，得到不同硅含量的铝硅合金熔体；

S3：采用快速凝固喷射沉积技术，分别用步骤S2得到的不同硅含量的铝硅合金熔体逐层制备铝硅合金层，制备好前一铝硅合金层之后，对其进行机加工，然后在前一铝硅合金层上制备后一铝硅合金层，直至制得达到设计层数的铝硅合金层状梯度材料锭坯；

S4：采用压力烧结对步骤S3得到的铝硅合金层状梯度材料锭坯进行致密化处理，得到铝硅合金层状梯度材料。

相对于现有技术，本发明的制备方法具有以下有益效果：

(1)可以根据应用需求，设计并制备各种梯度结构的复合材料，充分发挥铝硅合金性能可控性好的优点，一方面可以利用高硅含量铝硅合金低热膨胀、高导热的特点，另一方面可以利用低硅含量铝硅合金易加工、可镀覆、可激光焊接等特点，使制得的铝硅合金层状梯度材料能同时满足电子封装材料的各种使用和工艺要求，适用于现代微电路器件的气密封装或其他多种应用场合，例如该材料还具有密度小的优点(小于2.7g/cm³)，适用于制作航空航天部件。

(2)采用快速凝固喷射沉积技术，有利于调控硅相尺寸，形成尺寸细小并均匀分布于铝基体中的硅颗粒，使梯度材料获得良好的综合性能。

(3)喷射沉积之前采用机加工能保持沉积层的平整性并控制其厚度，可以满足设计的需求，使层与层之间的界面平直并形成良好的界面结合，提高工艺稳定性。

(4)喷射沉积的熔滴为半固态颗粒，有助于不同硅含量的铝硅合金层之间的粘结，而后续的压力烧结过程一方面实现锭坯的致密化，另一方面有助于不同硅含量的铝硅合金层之间的冶金结合。

(5)制得的铝硅合金层状梯度材料可根据封装要求，进一步经过普通机械加工制成具有特定形状和尺寸的电子封装壳体，并且可进行表面镀覆和激光焊接，实现气密封装。

进一步地，步骤S1中，选用纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

进一步地，步骤S2中，采用频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，并进行造渣除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到铝硅合金熔体。在此熔炼工艺条件下，铝和硅熔炼均匀，硅熔化后降温至850～1100℃并保温10～15min，有利于合金熔体进一步均匀化。

进一步地，步骤S2中，熔炼采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气。此精炼条件能够有效去除合金中的杂质，有利于改善材料的微观组织，保证最终制得材料的性能。

进一步地，步骤S3中，采用快速凝固喷射沉积技术制备铝硅合金层的步骤为：将铝硅合金熔体倾倒入喷射沉积设备中预热的中间包坩埚中，采用雾化喷嘴喷射出的高压气体，对经过导流管的铝硅合金熔体进行雾化，雾化后的合金液滴喷射到接收盘上沉积形成铝硅合金；其工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘的下降速度为10～30mm/min，接收盘的旋转速度为60～120rpm。

在此喷射沉积工艺条件下，形成的硅含量在22～70％范围内的铝硅合金层均能达到组织致密，各处厚度一致，而且硅颗粒达到尺寸细小并均匀分布于铝基体中，保证最终制得材料的性能，还有利于各层铝硅合金之间紧密结合。

进一步地，步骤S3中，所述机加工是采用普通车床对铝硅合金层的表面进行加工。

在下一铝硅合金层沉积之前对前一铝硅合金层进行机加工，一方面使前一铝硅合金层的表面达到平整，使最终形成的层状梯度材料中层与层之间的界面平直并形成良好的界面结合，另一方面控制铝硅合金层的厚度达到设计厚度；另外，为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于前一铝硅合金层的沉积和结合，且下一铝硅合金层沉积之前已形成的锭坯不加热。

进一步地，步骤S4为：将步骤S3得到的铝硅合金层状梯度材料锭坯密封于纯铝包套，抽真空后封焊，再采用压力烧结进行致密化处理，压力烧结的工艺条件为：烧结温度为550℃，烧结压力为120MPa，保温时间为240min，环境介质为氩气。此压力烧结条件有利于促进层与层之间的扩散焊合。

进一步地，还包括步骤S5：采用线切割从步骤S4得到的铝硅合金层状梯度材料上取料，再采用精雕加工制成电子封装壳体。此加工条件操作简单、易于控制，而且对材料的利用率高，加工成本低。

本发明还提供上述任一项所述的制备方法得到的铝硅合金层状梯度材料。

本发明的铝硅合金层状梯度材料具有较强的可设计性，可以根据应用需求，设计其梯度层数、每一层的成分(Si含量)与厚度等，此外，该铝硅合金层状梯度材料可根据图纸加工成具有复杂形状的封装壳体，可进行表面镀覆和激光焊接，实现气密性封装，也可以通过结构的优化设计进一步提高材料的服役性能，或推广至其他电子封装梯度复合材料。

本发明还提供上述铝硅合金层状梯度材料在电子封装壳体中的应用。

本发明制得的铝硅合金层状梯度材料尤其适用于制作电子封装壳体，具体地，其中的硅含量中等的铝硅合金层设于硅含量最高与最低的铝硅合金层之间，并且，以硅含量最高的铝硅合金层作为电子封装壳体的底层，实现与电子封装基板的连接；以硅含量最低的铝硅合金层作为焊接层，实现封装壳体的气密性封焊；以硅含量中等的铝硅合金层作为过渡层，减少层与层之间因热膨胀系数比匹配而造成的热应力，防止材料开裂。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例1中Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料的制备工艺流程图；

图2为实施例1制得的Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料的截面微观组织图；

图3为实施例1中步骤S4得到的锭坯的结构示意图；

图4为实施例1中步骤S4得到的锭坯的宏观照片；

图5为实施例1中步骤S5得到的电子封装壳体的结构示意图；

图6为实施例1中步骤S5得到的电子封装壳体的宏观照片。

图7为实施例2中步骤S4得到的锭坯的结构示意图；

图8为实施例2中步骤S5得到的电子封装壳体的结构示意图；

具体实施方式

实施例1

本实施例制备一种铝硅合金双层梯度材料(Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料)，并将其加工成电子封装壳体，请参阅图1，具体步骤如下：

S1：首先设计铝硅合金层状梯度材料的层数和各层组成，本实施例所设计的材料为Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料，其中，Al-42％Si合金层的厚度为10.0±0.5mm，Al-60％Si合金层厚度为2.0±0.3mm，相应以硅为42％、余量为铝，以及硅为60％、余量为铝的重量百分配比，分别配制硅含量为42％和60％的原料，并选用纯度为99.95％的纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

S2：分别将步骤(1)配好的硅含量为42％和60％的原料熔炼，熔炼在中频感应熔炼炉中进行，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，同时采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到硅含量分别为42％和60％的铝硅合金熔体。

S3：采用快速凝固喷射沉积技术，分别用步骤S2得到的硅含量为42％和60％的铝硅合金熔体逐层制备铝硅合金，制备好前一铝硅合金层之后，对其进行机加工，然后在前一铝硅合金层上制备后一铝硅合金层，直至得到达到设计层数的铝硅合金层状梯度材料锭坯；具体包括如下步骤：

S31：采用快速凝固喷射沉积技术，将硅含量为60％的铝硅合金熔体倾倒入喷射沉积设备中预热的中间包坩埚中，采用雾化喷嘴喷射出的高压气体，对经过导流管的铝硅合金熔体进行雾化，雾化后的合金液滴喷射到接收盘上沉积形成Al-60％Si合金层；

快速凝固喷射沉积的工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘的下降速度为10～30mm/min，接收盘的旋转速度为60～120rpm；

S32：采用普通车床对步骤S31制得的Al-60％Si合金层的沉积表面进行加工，考虑烧结后Al-60％Si锭坯的致密度大约为90％，控制该层的厚度为2.2±0.3mm，以确保后续热压烧结之后能够达到设计厚度，并保持良好的界面平直性；为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于后续铝硅合金层的沉积和结合，沉积之前锭坯不加热；

S33：用硅含量为42％的铝硅合金熔体，在经过机加工的Al-60％Si合金层上通过喷射沉积制备Al-42％Si合金层，工艺步骤和条件同步骤S31，则得到Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料；

S34：对步骤S33制得的Al-42％Si合金层进行机加工，考虑烧结后Al-42％Si锭坯的致密度大约为90％，控制该层的厚度为11.1±0.3mm，以确保后续热压烧结之后能够达到设计厚度，并保持良好的界面平直性；为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于后续铝硅合金层的沉积和结合，沉积之前锭坯不加热；

S35：重复依次进行步骤S31～S34，则得到两个Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料层叠在在一起的四层结构锭坯，如图3和图4所示，制备效率高，便于后续加工成电子封装壳体使用。

S4：将步骤S3得到的锭坯密封于纯铝包套，抽真空后封焊，再采用压力烧结进行致密化处理，并促进层与层之间的扩散焊合，得到致密的Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料，压力烧结的工艺条件为：烧结温度为550℃，烧结压力为120MPa，保温时间为240min，环境介质为氩气。Al-42％Si/Al-60％Si双层梯度材料的微观组织如图2所示，图2中左半部分为Al-42％Si合金层，右半部分为Al-60％Si合金层，由该图可见该双层梯度材料组织致密均匀。

S5：采用线切割从步骤S4得到的材料上取料，再采用精雕加工制成电子封装壳体，如图5和图6所示，该电子封装壳体为方形盒体，其中，Al-60％Si合金层的厚度为2.0mm，该层作为与电子封装基板的连接层；Al-42％Si合金层的厚度为8.0mm，其壁厚为0.8mm，该层为气密性封焊层。

实施例2

本实施例制备一种铝硅合金三层梯度材料(Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料)，并将其加工成电子封装壳体，具体步骤如下：

S1：首先设计铝硅合金层状梯度材料的层数和各层组成，本实施例所设计的材料为Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料，其中，Al-27％Si合金层的厚度为4.0±0.5mm，Al-50％Si合金层的厚度为4.0±0.3mm，Al-70％Si合金层的厚度为2.0±0.3mm，相应以硅为27％、余量为铝，硅为50％、余量为铝，以及硅为70％、余量为铝的重量百分配比，分别配制硅含量为27％、50％和70％的原料，并选用纯度为99.95％的纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

S2：分别将步骤(1)配好的硅含量为27％、50％和70％的原料熔炼，熔炼在中频感应熔炼炉中进行，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，同时采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到硅含量分别为27％、50％和70％的铝硅合金熔体。

S3：采用快速凝固喷射沉积技术，分别用步骤S2得到的硅含量为27％、50％和70％的铝硅合金熔体逐层制备铝硅合金，制备好前一铝硅合金层之后，对其进行机加工，然后在前一铝硅合金层上制备后一铝硅合金层，直至制得达到设计层数的铝硅合金层状梯度材料锭坯；具体包括如下步骤：

S31：采用快速凝固喷射沉积技术，将硅含量为70％的铝硅合金熔体倾倒入喷射沉积设备中预热的中间包坩埚中，采用雾化喷嘴喷射出的高压气体，对经过导流管的铝硅合金熔体进行雾化，雾化后的合金液滴喷射到接收盘上沉积形成Al-70％Si合金层；

快速凝固喷射沉积的工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘的下降速度为10～30mm/min，接收盘的旋转速度为60～120rpm；

S32：采用普通车床对步骤S31制得的Al-70％Si合金层的沉积表面进行加工，考虑烧结后Al-70％Si锭坯的致密度大约为88％，控制该层的厚度为2.3±0.3mm，以确保后续热压烧结之后能够达到设计厚度，并保持良好的界面平直性；为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于后续铝硅合金层的沉积和结合，沉积之前锭坯不加热；

S33：用硅含量为50％的铝硅合金熔体，在经过机加工的Al-70％Si合金层上通过喷射沉积制备Al-50％Si合金层，工艺步骤和条件同步骤S31；

S34：采用普通车床对步骤S33制得的Al-50％Si合金层的沉积表面进行加工，考虑烧结后Al-50％Si锭坯的致密度大约为91％，控制该层的厚度为4.4±0.3mm，以确保后续热压烧结之后能够达到设计厚度，并保持良好的界面平直性；为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于后续铝硅合金层的沉积和结合，沉积之前锭坯不加热；

S35：用硅含量为27％的铝硅合金熔体，在经过机加工的Al-50％Si合金层上通过喷射沉积制备Al-27％Si合金层，工艺步骤和条件同步骤S31，则得到Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料；

S36：采用普通车床对步骤S35制得的Al-27％Si合金层的沉积表面进行加工，考虑烧结后Al-27％Si锭坯的致密度大约为93％，控制该层的厚度为4.3±0.3mm，以确保后续热压烧结之后能够达到设计厚度，并保持良好的界面平直性；为获得良好的过渡结构，机加工过程必须保持干燥、清洁，以利于后续铝硅合金层的沉积和结合，沉积之前锭坯不加热；

S37：重复依次进行步骤S31～S36，则得到两个Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料层叠在在一起的六层结构锭坯，如图7所示，制备效率高，便于后续加工成电子封装壳体使用。

S4：将步骤S3得到的锭坯密封于纯铝包套，抽真空后封焊，再采用压力烧结进行致密化处理，并促进层与层之间的扩散焊合，得到致密的Al-27％Si/Al-50％Si/Al-70％Si三层梯度材料，压力烧结的工艺条件为：烧结温度为550℃，烧结压力为120MPa，保温时间为240min，环境介质为氩气。

S5：采用线切割从步骤S4得到的材料上取料，再采用精雕加工制成电子封装壳体，该电子封装壳体为方形盒体，如图8所示，其中，Al-70％Si合金层的厚度为2.0mm，该层是电子封装壳体的底层，作为与电子封装基板的连接层；Al-50％Si合金层的厚度为4.0mm，其壁厚为0.8mm，作为过渡层，主要为了减少层与层之间因热膨胀系数比匹配而造成的热应力；Al-27％Si合金层的厚度为4.0mm，其壁厚为0.8mm，该层为气密性封焊层。

除实施例1-2的双层或三层梯度材料以外，本发明还可以设计2层、4层或更多层数的梯度材料，也可以根据其他应用需求将梯度材料设计为其他梯度结构以及形状。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：设计铝硅合金层状梯度材料的层数、各层组成和各层厚度，以硅为22～70％、余量为铝的重量百分配比来配制不同硅含量的原料；

S2：分别将步骤S1配好的不同硅含量的原料熔炼，得到不同硅含量的铝硅合金熔体；

S3：采用快速凝固喷射沉积技术，分别用步骤S2得到的不同硅含量的铝硅合金熔体逐层制备铝硅合金层，制备好前一铝硅合金层之后，对其进行机加工，然后在前一铝硅合金层上制备后一铝硅合金层，直至制得达到设计层数的铝硅合金层状梯度材料锭坯；

S4：采用压力烧结对步骤S3得到的铝硅合金层状梯度材料锭坯进行致密化处理，其中压力烧结的工艺条件为：烧结温度为550℃，烧结压力为120MPa，保温时间为240min，环境介质为氩气，最终得到铝硅合金层状梯度材料。

2.根据权利要求1所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，选用纯铝锭和单晶硅块来配制原料。

3.根据权利要求1所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，采用频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程为：首先升温至780～860℃熔化铝，待铝完全熔化后升温至1200～1500℃，然后加入配好重量的硅，充分搅拌，并进行造渣除气，待硅完全熔化后降温至850～1100℃，保温10～15min，得到铝硅合金熔体。

4.根据权利要求3所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，熔炼采用由质量比为30:47:23的氯化钠、氯化钾与冰晶石组成的复合盐造渣，并采用六氯己烷除气。

5.根据权利要求1所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，采用快速凝固喷射沉积技术制备铝硅合金层的步骤为：将铝硅合金熔体倾倒入喷射沉积设备中预热的中间包坩埚中，采用雾化喷嘴喷射出的高压气体，对经过导流管的铝硅合金熔体进行雾化，雾化后的合金液滴喷射到接收盘上沉积形成铝硅合金；其工艺条件为：中间包坩埚采用电阻加热，预热温度在700～900℃之间，保温时间为30min，喷射沉积的雾化介质为氮气，雾化压力为0.7～0.9Mpa，导流管的直径为2.0～4.0mm，导流管的出口到接收盘的沉积距离为500～600mm，雾化喷嘴的扫描频率为1～5Hz，接收盘的下降速度为10～30mm/min，接收盘的旋转速度为60～120rpm。

6.根据权利要求1所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述机加工是采用普通车床对铝硅合金层的表面进行加工。

7.根据权利要求1所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤S4为：将步骤S3得到的铝硅合金层状梯度材料锭坯密封于纯铝包套，抽真空后封焊，再采用压力烧结进行致密化处理。

8.根据权利要求1-7任一项所述的铝硅合金层状梯度材料的制备方法，其特征在于：还包括步骤S5：采用线切割从步骤S4得到的铝硅合金层状梯度材料上取料，再采用精雕加工制成电子封装壳体。

9.权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的铝硅合金层状梯度材料。

10.根据权利要求9所述的铝硅合金层状梯度材料在电子封装壳体中的应用。

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