一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用

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