一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用
文献发布时间:2023-06-19 10:10:17
技术领域
本发明属于金属及合金的开发与制备技术领域,特别涉及一种轻质Al-Si-Mg
背景技术
金属基复合材料(MMCs,Metal Matrix Composites)兼具金属基体的高韧性、高塑性、良好的加工性能以及增强相的高硬度、优异的耐磨性和耐热性等特点,而且通过调整增强相体积分数可以获得不同性能的材料,表现出良好的可设计性。随着电子信息、轨道交通和汽车工业的快速发展,以及能源短缺、环境污染等问题日益突出,轻质铝基复合材料受到越来越多来自材料界与产业界的关注,并逐渐在航空航天、车辆、体育等领域得到应用。
相对于传统的外加法(Ex-situ),原位自生法(In-situ)是近年来发展起来的一种金属基复合材料的制备新技术,其原理是在一定条件下通过元素之间或元素化合物之间的化学反应,在金属基体中原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的增强相,从而达到强化基体的目的。由于原位自生法中增强相在基体中原位生成,表面无污染,避免了与基体相容性的问题,界面结合强度高,具有稳定的热力学特性;同时,原位自生法减少了外加法中颗粒单独合成、处理以及添加、混料等工序,制备工艺简单,成本低。
高硅铝合金,也称为Al/Sip复合材料,一般指Si含量超过共晶点成分(12wt.%)的铝硅合金。通过在Al熔体中添加原料Si块,经熔炼铸造后,在Al基体中原位形成Si颗粒增强相。高硅铝合金,尤其是Si含量达到和超过50wt.%的材料,具有良好力学和热物理性能,能够通过机加工获得所需形状和尺寸的构件,并且具有良好的表面镀覆和激光焊接性能,已经在电子封装领域得到批量应用。
金属间化合物Mg
基于高硅铝合金和金属间化合物Mg
发明内容
为了进一步降低高硅铝合金的密度并改善其力学性能,本发明提供一种轻质Al-Si-Mg
本发明采用的技术方案如下:
本发明一种轻质Al-Si-Mg
S1:合金组分设计:根据成品性能要求,预设Si相以及Mg
S2:喷射沉积制坯:根据步骤S1所设计的合金组分,配取纯铝、纯硅和Al-Mg
S3:热分析和热稳定性分析:采用差热分析法获得Al-Si-Mg
S4:热等静压致密化及热处理:采用热等静压对步骤S2所得Al-Si-Mg
S5:显微组织与性能分析:测试Al-Si-Mg
S6:壳体考核验证:将满足宏观性能的Al-Si-Mg
进一步地,所述步骤S1中,预设Si相以及Mg
步骤a
根据电子封装材料对热膨胀系数、热导率的要求,先通过混合法则计算热膨胀系数:式(1),和热导率式(2),预设Si相含量,
α=α
λ=λ
其中,α表示热膨胀系数,λ表示热导率,V表示体积分数;
步骤b
然后,采用部分Mg
在实际操作过程中,根据电子封装材料对热膨胀系数匹配的要求,20~200℃热膨胀系数,盖板材料要求小于18.0±1.0×10
进一步的,所述Al-Mg
发明人发现,通过添加Al-Mg
进一步的,所述步骤S2中,所述喷射沉积主要工艺参数为:沉积盘旋转速度300-500r/min,沉积盘下降速度10-15mm/min,喷嘴直径2.8-3.5mm,沉积距离260-320mm,雾化压力0.8-1.2MPa。
进一步的,所述步骤S2中,Al-Si-Mg
进一步地,所述步骤S3中,采用差热分析法获得Al-Si-Mg
进一步地,所述步骤S4中,热等静压压力为120-150MPa。
在本发明中,热等静压温度和保温时间的选择根据步骤S3中Si相和Mg
进一步地,所述步骤S4中,Al-Si-Mg
在本发明中,步骤S5中所述的宏观性能包括力学性能、物理性能,其中力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗弯强度和硬度,物理性能包括密度、热导率和热膨胀系数。
进一步地,所述步骤S5中,按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分;按照GB 3850或GB/T 1423规定的方法测定合金的密度,样件规格:20×20×10mm,致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100%;按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度;按照ASTM E1269或GJB 330A规定的方法测定合金的比热容,按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数,通过经典热导率公式计算得到热导率;按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
进一步的,所述步骤S5中,优化合金成分基于合金组分-显微组织-宏观性能之间的关系,宏观性能首先考虑热膨胀系数和热导率的要求,其次综合考虑力学性能指标,在满足热膨胀系数和热导率要求的情况获得较高的力学性能;Al-Si-Mg
进一步地,所述步骤S5中,通过合金的密度、力学性能和热物理性能的对比分析,进行合金组分优化,包括Si和Mg
进一步地,所述步骤S6中,考核验证内容包括合金的机加工性能、表面镀覆性能、激光焊接性能以及封焊壳体的气密性等工艺性能和应用性能。
在实际操作过程中,在将所制备的Al-Si-Mg
本发明还提供上述制备方法所制备的轻质Al-Si-Mg
本发明还提供上述制备方法所制备的轻质Al-Si-Mg
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)增强相Mg
(2)采用快速凝固喷射沉积技术制备Al-Si-Mg
(3)由于Mg
(4)本发明采用现有的喷射沉积工艺与设备,不需要对熔炼和成形设备进行改造,并且原材料Al、Mg和Si均为价格低廉的材料,极易推广。
(5)本发明所制备的Al-Si-Mg
附图说明
图1为本发明轻质Al-Si-Mg
图2为本发明实施例2中Al-25%Si-25%Mg
图3为本发明实施例1中Al-12%Si-15%Mg
图4为本发明实施例2中Al-25%Si-25%Mg
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合两个具体实施例,对本发明提供的轻质Al-Si-Mg
实施例1
本实施例中制备一种轻质Al-2%Si-25%Mg
S1:合金组分设计:电子封装盖板的主要性能指标为热膨胀系数18.0±1.0×10
首先根据热膨胀系数18.0±1.0×10
23.6·(1-x)+4.2·x=18±1 (5)
由式(5)可得,Si含量为23.7%~34.0%可以满足热膨胀系数要求。
进一步地,根据热导率≥150W/mK要求和式(2),即
237·(1-x)+148·x≥150 (6)
由式(6)可得,Si含量低于98.8%均可满足热导率要求。
综合考虑密度、强度等因素,选择Si含量为27%。
进一步采用Mg
23.6×0.73+4.2·(0.27-x)+7.5·x=18±1 (7)
由式(7)可得,Mg
进一步地,根据热导率≥150W/mK要求和式(2),即
237×0.73+148·(0.27-x)+8·x≥150 (8)
由式(8)可得,Mg
由于采用Mg
S2:喷射沉积制坯:根据步骤S1的设计的合金组分,配取纯铝、Al-Mg
首先采用纯铝、纯镁和Al-70%Si中间合金进行配料,纯铝和中间合金熔化后,降温至1000~1050℃以较少Mg的烧损,采用石墨棒将纯镁块压入熔体底部,之后在搅拌下原位反应10~20min;降温至1000~1050℃,采用水冷模进行浇铸,冷却后得到Al-50%Mg
进一步地,采用纯铝、纯硅和Al-50%Mg
进一步地,采用以上工艺获得喷射沉积Al-2%Si-25%Mg
S3:热分析和热稳定性分析:采用差热分析法获得沉积锭坯的相变温度点,并基于相变温度点,设计系列加热保温程序,通过对沉积锭坯试样于不同加热程序下进行加热处理,获得系列坯体试样,进行微观组织观测,建立合金中Si相和Mg
由于该合金未添加其他合金元素,喷射沉积Al-2%Si-25%Mg
进一步地,观察不同加热温度和不同保温时间的显微组织演变,结合图像分析软件绘制出合金中Si相和Mg
S4:热等静压致密化及热处理:喷射沉积锭坯采用热等静压进行致密化处理,基于步骤S3结果选择合适的热等静压加热温度和保温时间,热等静压压力为120-150MPa,热等静压合金经低温长时间稳定化退火得到Al-2%Si-25%Mg
根据步骤S3中加热温度和保温时间与Si相和Mg
进一步地,经热等静压处理后Al-2%Si-25%Mg
进一步地,为消除或降低合金的内应力,并考虑Si相和Mg
S5:显微组织与性能分析:测试Al-2%Si-25%Mg
喷射沉积Al-2%Si-25%Mg
进一步地,按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分;按照GB 3850或GB/T1423规定的方法测定合金的密度,样件规格:20×20×10mm,致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100%;按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度;按照ASTM E1269或GJB330A规定的方法测定合金的比热容,按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数,通过经典热导率公式计算得到热导率;按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
进一步地,测试结果显示,Al-2%Si-25%Mg
进一步地,Al-2%Si-25%Mg
S6:壳体考核验证:Al-2%Si-25%Mg
考核验证内容包括合金的机加工性能、激光焊接性能以及封焊壳体的气密性等工艺性能和应用性能。
进一步地,考核结果表明,Al-2%Si-25%Mg
实施例2:
本实施例中制备一种轻质Al-25%Si-25%Mg
S1:合金组分设计:电子封装壳体的主要性能指标为热膨胀系数12.0±1.0×10
首先根据热膨胀系数12.0±1.0×10
23.6·(1-x)+4.2·x=12±1 (9)
由式(9)可得,Si含量为54.6%~64.9%可以满足热膨胀系数要求。
进一步地,根据热导率≥150W/mK要求和式(2),即
237·(1-x)+148·x≥120 (10)
由式(10)可得,所有Si含量均可满足热导率要求。
综合考虑密度、强度等因素,选择Si含量为60%。
进一步采用Mg
23.6×0.4+4.2·(0.6-x)+7.5·x=12±1 (11)
由式(11)可得,Mg
进一步地,根据热导率≥120W/mK要求和式(2),即
237×0.4+148·(0.6-x)+8·x≥120 (12)
由式(12)可得,Mg
综合热膨胀系数和热导率要求,选择的合金成分为Al-31%Si-29%Mg
S2:喷射沉积制坯:根据步骤S1的设计的合金组分,配取纯铝、Al-Mg
首先采用纯铝、纯镁和Al-70%Si中间合金进行配料,纯铝和中间合金熔化后,降温至1000~1050℃以较少Mg的烧损,采用石墨棒将纯镁块压入熔体底部,之后在搅拌下原位反应10~20min;降温至1000~1050℃,采用水冷模进行浇铸,冷却后得到Al-50%Mg
进一步地,采用纯铝、纯硅和Al-50%Mg
进一步地,采用以上工艺获得喷射沉积Al-31%Si-29%Mg
S3:热分析和热稳定性分析:采用差热分析法获得沉积锭坯的相变温度点,并基于相变温度点,设计系列加热保温程序,通过对沉积锭坯试样于不同加热程序下进行加热处理,获得系列坯体试样,进行微观组织观测,建立合金中Si相和Mg
由于该合金未添加其他合金元素,喷射沉积Al-31%Si-29%Mg
进一步地,观察不同加热温度和不同保温时间的显微组织演变,结合图像分析软件绘制出合金中Si相和Mg
S4:热等静压致密化及热处理:喷射沉积锭坯采用热等静压进行致密化处理,基于步骤S3结果选择合适的热等静压加热温度和保温时间,热等静压压力为120-150MPa,热等静压合金经低温长时间稳定化退火得到Al-31%Si-29%Mg
根据步骤S3中加热温度和保温时间与Si相和Mg
进一步地,经热等静压处理后Al-31%Si-29%Mg
进一步地,为消除或降低合金的内应力,并考虑Si相和Mg
S5:显微组织与性能分析:测试Al-31%Si-29%Mg
喷射沉积Al-31%Si-29%Mg
进一步地,按照GB/T 20975规定的方法检验合金的化学成分;按照GB 3850或GB/T1423规定的方法测定合金的密度,样件规格:20×20×10mm,致密度为实测密度与理论密度的比值乘以100%;按照GB/T 228规定的方法测定合金的抗拉强度;按照ASTM E1269或GJB330A规定的方法测定合金的比热容,按照GB/T 22588或GJB1201.1规定的方法测定合金的热扩散系数,通过经典热导率公式计算得到热导率;按照GB/T 4339或GJB 332A规定的方法测定合金的热膨胀系数。
进一步地,测试结果显示,Al-31%Si-29%Mg
根据式(12)可知,降低Mg
重复步骤S2-S5,测试结果显示,喷射沉积Al-35%Si-25%Mg
进一步地,Al-35%Si-25%Mg
S6:壳体考核验证:Al-35%Si-25%Mg
考核验证内容包括合金的机加工性能、表面镀覆、激光焊接性能以及封焊壳体的气密性等工艺性能和应用性能。
进一步地,考核结果表明,Al-35%Si-25%Mg
表1本发明中Al、Si和Mg
- 一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用
- 一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用