專利名稱：一種噴射沉積成形Si-Al合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硅鋁合金制備技術(shù)和電子封裝材料領(lǐng)域，特別是提供了一種噴射成形低熱膨脹系數(shù)、高熱傳導(dǎo)率、低密度和可加工的高硅鋁合金的制備方法，廣泛適用于電訊、航空、航天、國防和其它相關(guān)工業(yè)電子元器件所需的新型封裝或散熱材料。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電子封裝業(yè)向高密度、高速度方向發(fā)展，開發(fā)具有良好導(dǎo)熱能力的材料以滿足集成度提高帶來的散熱要求成為當務(wù)之急。
理想的先進電子封裝材料應(yīng)該具有與砷化鎵和硅等典型半導(dǎo)體材料相匹配，或略高的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE)、高的熱傳導(dǎo)率(＞100W/m·K)和低的密度(＜3g/cm3)。此外，希望封裝材料具有合理的剛度(＞100GPa)，可以為對機械作用敏感的部件和基板提供足夠的機械支撐。它還需要易于進行精密加工成形，并可利用經(jīng)濟的工業(yè)標準方法，如電鍍等，進行涂裝處理。金屬封裝因其外殼可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器)融合為一體，使封裝形狀多樣化，散熱快，體積小，成本低，而且還有利于減小信號間的電感、電容及串擾等，而成為一類重要的封裝材料。
傳統(tǒng)的金屬電子封裝材料(不包括顆粒增強金屬基復(fù)合材料)及其關(guān)鍵性能如表1所示。其中，純鋁和銅通常被用作散熱型電子封裝材料，因為它們的熱傳導(dǎo)率高達200～390W/m·K。但是，這些材料的熱膨脹系數(shù)較大，與陶瓷基片的熱匹配性能差，對提高器件整體的可靠性不利。為了降低材料的熱膨脹系數(shù)，將Cu與熱膨脹系數(shù)較小的Mo和W混合(粉末冶金或冷軋)形成復(fù)合材料，可以獲得較高的導(dǎo)熱效果，但封裝結(jié)構(gòu)的重量明顯增加，這對航空航天封裝應(yīng)用是一個致命的弱點。而且，Cu-Mo和Cu-W之間潤濕性差，復(fù)合材料氣密性不好，致密化程度低，封裝性能受到影響。含Be的材料具有毒性，限制了該材料的應(yīng)用。其它材料，如Kovar(Fe-29Ni-17Co)和Invar(Ni-Fe)合金，雖然具有較低的熱膨脹系數(shù)，但電阻大，導(dǎo)熱能力較差，只能作為小功率整流器的散熱和連接材料。W、Mo具有與Si相近的線膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱性比Kovar和Invar合金好，因此常用于半導(dǎo)體Si片的支撐材料。但由于W、Mo與Si的浸潤性不好、可焊性差，常需要在表面鍍或涂覆特殊的Ag基合金或Ni，使工藝變得復(fù)雜且可靠性差。而且W、Mo價格較為昂貴，密度大，不適合大量使用。由此可見，目前傳統(tǒng)的金屬電子封裝材料無法滿足現(xiàn)代電子封裝綜合性能的要求。
表1典型金屬電子封裝材料的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)

Si-Al合金已被證明是一個綜合性能滿足先進電子封裝要求的材料體系(M.Jacobson and S.P.S.Sangha，F(xiàn)uture trends in materials for lightweightmicrowave packaging，Microelectronics Int.，1998，15，No347。S.P.S.Sangha，NovelAluminum Silicon Alloys for Electronics packaging，Journal of Engineering Scienceand Education，1997，No 11195)。本發(fā)明中，硅作為合金的基本成分之一，具有低熱膨脹系數(shù)(CTE為4.1×10-6/K)、高熱導(dǎo)率(150W/m·K)、低密度(2.34g/cm3)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉、來源豐富等優(yōu)點。其主要缺點是熔點高(1414℃)、材料的脆性大。通過在Si中加入適量的低熔點Al，可以有效地降低合金的熔點，提高材料的斷裂韌性，改善材料的可加工性能。
含硅量較低的Si-Al合金可以通過鑄造方法成形。但是，在50～70重量％Si成分范圍內(nèi)，Si-Al合金鑄態(tài)顯微組織主要由大而孤立的、多面化和高縱橫比的一次Si晶體組成，這顯然對材料的力學(xué)性能和加工性能不利。通常針狀一次硅相顆粒的尺寸為毫米級，易導(dǎo)致材料組織極度各向異性，不適合于電子封裝的應(yīng)用。例如，用于電子封裝的板材厚度一般為1-5mm，如果采用鑄造材料，單個的Si晶體將有可能穿透整個板厚。這將使材料極難加工到表面涂裝所需的高精度質(zhì)量，因為Si顆粒易于沿擇優(yōu)晶體學(xué)平面，發(fā)生單方向開裂。此外，由于大尺寸Si顆粒的存在，使得材料局部的CTE和熱傳導(dǎo)率將發(fā)生大幅度變化。一般認為具有這樣顯微組織的合金沒有工程應(yīng)用價值。
通過采用粉末冶金技術(shù)有助于形成細小、各向同性的顯微組織。但是粉末冶金技術(shù)往往涉及復(fù)雜的工序，造成成本的增加，所以一直未能在Si-Al合金的制備中獲得推廣應(yīng)用?？梢赃_到以上目的的另一項工業(yè)化技術(shù)就是噴射沉積成形技術(shù)。在噴射成形過程中，將熔融金屬通過霧化器用高速惰性氣體進行霧化，產(chǎn)生細小的霧滴(一般直徑為～40μm)。這些霧滴在一個冷態(tài)旋轉(zhuǎn)的基板上沉積，經(jīng)歷快速凝固后形成具有細小的各向同性組織的坯件。經(jīng)過霧化的Si-Al合金熔滴在飛行過程中即開始形成Si的晶體，在沉積坯表面凝固相被破碎產(chǎn)生了大量的Si相形核位置，這些核心長大并相互碰撞限制了Si相的長大過程，使之無法形成鑄造組織中那樣的孤立的、高度取向性的Si顆粒，而且所形成的Si晶體隨機取向，解決了顯微組織與性能各向異性的問題。結(jié)果使沉積坯結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)連貫性，產(chǎn)生各向同性的合金組織和性能，并且有利于表面的精細加工。經(jīng)過適當?shù)暮罄m(xù)處理消除沉積過程中形成的少量疏松后，這些沉積坯件就可以用來制造各種高性能的封裝部件。顯然，低密度、低熱膨脹、高熱傳導(dǎo)和可加工Si-Al合金屬于可控熱膨脹材料(可根據(jù)需要，通過成分調(diào)整，控制合金的熱膨脹系數(shù))，具有良好的綜合封裝工藝性能優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低熱膨脹系數(shù)、高熱傳導(dǎo)率、低密度和可加工的高硅鋁合金的制備方法，廣泛適用于電訊、航空、航天、國防和其它相關(guān)工業(yè)電子元器件所需的新型封裝或散熱材料。
本發(fā)明的構(gòu)成采用中頻感應(yīng)電爐預(yù)制25～50重量％Si-Al中間合金，然后根據(jù)最終目標成分通過向中間合金中添加Si的方式用噴射沉積成形方法獲得最終的50～70重量％Si-Al合金；具體方法如下1、中間合金的制備將占25～50重量％的純Si，其余為工業(yè)純Al的原材料放入中頻感應(yīng)電爐中升溫熔化，澆鑄成中間合金錠備用。純Si和工業(yè)純Al均為塊狀物。
2、噴射沉積成形50～70重量％Si-Al合金的制備將上述中間合金錠放入中頻感應(yīng)電爐坩堝中。根據(jù)50～70重量％Si-Al合金成分要求，視需要添加0～45重量％的純Si升溫熔化(中間合金為50重量％Si-Al、同時制備噴射沉積成形50重量％Si-Al合金時，不需添加純Si)。然后采用噴射沉積成形方法制備50～70重量％Si-Al合金。噴射成形工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.6～0.8MPa；沉積距離400～600mm；導(dǎo)流管直徑3.2～4.0mm。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)均勻、各向同性的優(yōu)異物理性能低熱膨脹系數(shù)(可根據(jù)需求調(diào)節(jié)，范圍6～13×10-6/K)?？筛鶕?jù)不同的封裝匹配材料，設(shè)計所需的Si-Al合金材料，盡可能使兩者的熱膨脹系數(shù)匹配；低密度(2.4～2.5g/cm3)，特別適合航空航天電子元器件封裝應(yīng)用；高熱導(dǎo)率(110～150W/mK)，滿足集成度提高帶來的散熱要求；低電導(dǎo)(＜10-6Wm)；高剛度(比剛度＞44GPa cm3/g)；良好的熱機械穩(wěn)定性(使用溫度可達500℃)；(2)良好的可加工和封裝工藝性能采用碳化物或多晶金剛石刀具可以較容易地獲得較高的加工精度；易于加工成不同的形狀(包括各種凹槽、窄槽和邊角等)；環(huán)境友好，不含有害健康的元素，易于循環(huán)處理；易于進行鍍金、銀和鎳等表面涂裝處理；良好的焊接性能。


圖1是本發(fā)明中的(a)噴射成形60重量％Si-Al合金和(b)噴射成形70重量％Si-Al合金的顯微組織。
圖2是本發(fā)明中的噴射成形Si-Al合金的線膨脹系數(shù)與硅含量的實驗數(shù)據(jù)圖。橫坐標為Si含量、重量百分比；縱坐標為線膨脹系數(shù)，單位為10-6/K。
圖3是本發(fā)明中的噴射成形Si-Al合金的熱傳導(dǎo)率與溫度的實驗數(shù)據(jù)圖。橫坐標為溫度、℃；縱坐標為熱傳導(dǎo)率，單位為W/mK。
圖4是本發(fā)明中的噴射成形Si-Al合金的電阻率與硅含量的實驗數(shù)據(jù)圖。橫坐標為Si含量、重量百分比；縱坐標為電阻率，單位為10-6/Ωm。
圖5是本發(fā)明中的噴射成形50重量％Si-Al合金機加工零部件(25×15×5mm)示例圖。零件表面粗糙度Ra≤1.6μm。
具體實施例方式
實施例1制備50重量％Si-Al合金。用150公斤中頻感應(yīng)電爐熔制50重量％Si-Al中間合金錠。將塊度為4～6mm、重量為15公斤的純Si和15公斤的工業(yè)純Al放入中頻感應(yīng)電爐坩堝中，升溫使其熔化，澆鑄成中間合金錠備用。將上述中間合金錠重熔，用噴射沉積成形方法制備50重量％Si-Al合金。工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.7MPa；沉積距離550mm；導(dǎo)流管直徑3.6mm。材料的熱膨脹系數(shù)為10.6×10-6/K。熱導(dǎo)率為121W/mK(150℃)。電阻率為0.4×10-6Ωm。
實施例2制備60重量％Si-Al合金。用150公斤中頻感應(yīng)電爐熔制30重量％Si-Al中間合金錠。將塊度為4～6mm、重量為3公斤的純Si和7公斤的工業(yè)純Al放入中頻感應(yīng)電爐坩堝中，升溫使其熔化，澆鑄成中間合金錠備用。將上述中間合金錠重熔，補加4.3公斤的純Si、用噴射沉積成形方法制備60重量％Si-Al合金。工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.8MPa；沉積距離600mm；導(dǎo)流管直徑3.8mm。材料的熱膨脹系數(shù)為9.1×10-6/K。熱導(dǎo)率為113W/mK(150℃)。電阻率為0.9×10-6Ωm。沉積態(tài)60重量％Si-Al合金的密度為2.3164g/cm3，熱等靜壓后密度為2.4486g/cm3，接近于該合金的理論密度。
實施例3制備70重量％Si-Al合金。用150公斤中頻感應(yīng)電爐熔制30重量％Si-Al中間合金錠。將塊度為4～6mm、重量為6公斤的純Si和14公斤的工業(yè)純Al放入中頻感應(yīng)電爐坩堝中，升溫使其熔化，澆鑄成中間合金錠備用。將上述中間合金錠重熔，補加13.3公斤的純Si，用噴射沉積成形方法制備70重量％Si-Al合金。工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.75MPa；沉積距離590mm；導(dǎo)流管直徑4.0mm。材料的熱膨脹系數(shù)為8.1×10-6/K。電阻率為1.6×10-6Ωm。
權(quán)利要求
1.一種噴射沉積成形Si-Al合金的制備方法，其特征在于采用中頻感應(yīng)電爐預(yù)制25～50重量％Si-Al中間合金，然后根據(jù)最終目標成分通過向中間合金中添加Si的方式用噴射沉積成形方法獲得最終的50～70重量％Si-Al合金；具體方法如下a、中間合金的制備將占25~50重量％的純Si，其余為工業(yè)純Al的原材料放入中頻感應(yīng)電爐中升溫熔化，澆鑄成中間合金錠備用，純Si和工業(yè)純Al均為塊狀物；b、噴射沉積成形50～70重量％Si-Al合金的制備將上述中間合金錠放入中頻感應(yīng)電爐坩堝中，根據(jù)50～70重量％Si-Al合金成分要求，視需要添加0～45重量％的純Si升溫熔化，然后采用噴射沉積成形方法制備50~70重量％Si-Al合金；噴射成形工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.6～0.8MPa；沉積距離400～600mm；導(dǎo)流管直徑3.2～4.0mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種噴射沉積成形Si－Al合金的制備方法，其特征在于先制備25～50重量％Si－Al中間合金錠。然后采用噴射沉積成形方法制備50～70重量％Si－Al合金。噴射成形工藝參數(shù)選擇如下霧化氣體氮氣；霧化壓力0.6～0.8MPa；沉積距離400～600mm；導(dǎo)流管直徑3.2～4.0mm。本發(fā)明的優(yōu)點在于Si－Al合金的熱膨脹系數(shù)可調(diào)，范圍為6～13×10
文檔編號H01L23/34GK1557585SQ20041003905
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者楊濱, 張濟山, 堯軍平, 陳美英, 楊 濱 申請人:北京科技大學(xué)