一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种轻质Al

【技术实现步骤摘要】
一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金属及合金的开发与制备
，特别涉及一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法，并将其应用于电子封装领域。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]金属间化合物Mg2Si具有低密度(1.99g/cm3)、高熔点、高硬度、高弹性模量、低热膨胀系数和良好的热电性能，很适合作为电子封装铝合金的增强相。中国专利CN1215089A公开了一种原位自生Mg2Si颗粒增强铝基复合材料，中国专利CN104131190B公开了一种原位自生高体积分数Mg2Si增强Mg-Al基复合材料。然而，由于传统铸造方法的冷却速率小，难以获得高性能的Al-Mg2Si合金。
[0006]基于高硅铝合金和金属间化合物Mg2Si的特点，开发轻质Al-Si-Mg2Si合金不仅可以进一步降低密度，而且有望改善材料的力学性能。但目前限制轻质Al-Si-Mg2Si合金推广应用的关键在于初生Mg2Si金属间化合物和Si相尺寸粗大，并且棱角尖锐，从而割裂基体，降低材料力学性能和加工性能。改变Mg2Si和Si相的形态、尺寸和分布，控制合金的凝固、加工和成形过程，是提高其强韧性的主要难点。

技术实现思路

[0007]为了进一步降低高硅铝合金的密度并改善其力学性能，本专利技术提供一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料及其制备方法；为克服Al-Si-Mg2Si合金中增强相尺寸粗大、棱角尖锐的问题，本专利技术采用快速凝固喷射沉积制备技术，结合热分析和热稳定性分析制定合理
的致密化和热处理工艺；通过显微组织与性能分析优化合金组分；进一步地，将Al-Si-Mg2Si合金作为电子封装盖板和壳体进行考核验证，从而为该材料的推广应用奠定技术基础。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]本专利技术一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010]S1：合金组分设计：根据成品性能要求，预设Si相以及Mg2Si相的成分组成，所述成品性能包含强度、热膨胀系数、热导率；
[0011]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-Mg2Si中间合金，熔炼，然后经喷射沉积获得Al-Si-Mg2Si合金锭坯；所述Al-Mg2Si中间合金中，Mg2Si的体积分数为50％；
[0012]S3：热分析和热稳定性分析：采用差热分析法获得Al-Si-Mg2Si合金锭坯的相变温度点，并基于相变温度点，设计系列加热程序，通过对Al-Si-Mg2Si合金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，建立不同加热温度下，合金中Si相和Mg2Si相的粗化速率与保温时间的关联性的热分析数据；
[0013]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-Mg2Si合金锭坯进行致密化处理获得热等静压合金，所述热等静压的加热温度与保温时间选自步骤S3中热分析数据中，合金中Si相和Mg2Si相尺寸均≤30μm对应范围；再将热等静压合金经退火处理，即得Al-Si-Mg2Si合金；
[0014]S5：显微组织与性能分析：测试Al-Si-Mg2Si合金的宏观性能，并观察显微组织与结构，建立合金显微组织与宏观性能之间的联系，若宏观性能满足要求，则进入步骤S6，若宏观性能不满足要求，则根据合金显微组织与宏观性能之间的联系，优化合金组分，重复步骤S2-S5；
[0015]S6：壳体考核验证：将满足宏观性能的Al-Si-Mg2Si合金加工成电子封装壳体和/或盖板，进行检测。
[0016]进一步地，所述步骤S1中，预设Si相以及Mg2Si相的成分组成的具体步骤为：
[0017]步骤a
[0018]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，
[0019]α＝α
Al
·
V
Al
+α
Si
·
V
Si
ꢀꢀ
(1)
[0020]λ＝λ
Al
·
V
Al
+λ
Si
·
V
Si
ꢀꢀ
(2)
[0021]其中，α表示热膨胀系数，λ表示热导率，V表示体积分数；
[0022]步骤b
[0023]然后，采用部分Mg2Si相取代Si相，取代后通过混合法则计算热膨胀系数式(3)，和热导率式(4)，满足电子封装材料热膨胀系数以及热导率的要求，
[0024][0025][0026]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
×
10-6
/K，壳体材料要求小于12.0
±
1.0
×
10-6
/K，热
导率分别高于150W/mK和120W/mK。热膨胀系数和热导率是电子封装材料的主要性能指标，并且主要取决于增强相类型和含量，受工艺过程和参数的影响较小。因此，首先基于单质Al、Si和Mg2Si的基本物理性能数据，利用混合法则计算热膨胀系数(式1)和热导率(式2)，从而预设Si相含量，然后，再采用部分Mg2Si相取代Si相，在满足热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：合金组分设计：根据成品性能要求，预设Si相以及Mg2Si相的成分组成，所述成品性能包含强度、热膨胀系数、热导率；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-Mg2Si中间合金，熔炼，然后经喷射沉积获得Al-Si-Mg2Si合金锭坯；所述Al-Mg2Si中间合金中，Mg2Si的体积分数为50％；S3：热分析和热稳定性分析：采用差热分析法获得Al-Si-Mg2Si合金锭坯的相变温度点，并基于相变温度点，设计系列加热程序，通过对Al-Si-Mg2Si金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，进行显微组织观测，建立不同加热温度下，合金中Si相和Mg2Si相尺寸与保温时间的关联性的热分析数据；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-Mg2Si合金锭坯进行致密化处理获得热等静压合金，所述热等静压的加热温度与保温时间选自步骤S3中热分析数据中，合金中Si相和Mg2Si相尺寸均≤30μm对应范围；再将热等静压合金经退火处理，即得Al-Si-Mg2Si合金；S5：显微组织与性能分析：测试Al-Si-Mg2Si合金的宏观性能，并观察显微组织与结构，建立合金显微组织与宏观性能之间的联系，若宏观性能满足要求，则进入步骤S6，若宏观性能不满足要求，则根据合金显微组织与宏观性能之间的联系，优化合金组分，重复步骤S2-S5。S6：壳体考核验证：将满足宏观性能的Al-Si-Mg2Si合金加工成电子封装壳体和/或盖板，进行检测。2.根据权利要求1所述的一种轻质Al-Si-Mg2Si电子封装材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，预设Si相以及Mg2Si相的成分组成的具体步骤为：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
Al
·
V
Al
+α
Si
·
V
si
ꢀꢀꢀ
(1)λ＝λ
Al
·
V
Al
+λ
Si
·
V
Si
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，α表示热膨胀系数，λ表示热导率，V表示体积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，彭超群，冯艳，王小锋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：