本發(fā)明涉及一種al合金基復合材料的制備方法，具體地說是一種高硅sip/al合金復合材料的制備方法，屬于新材料及其制備工藝領域。

背景技術：

近年來，我國電子信息技術及產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路和多芯片模塊的廣泛使用以及電子器件微型化、輕質化都對電子封裝材料提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)電子封裝材料在性能及制備技術方面均存在著很多不足，難以滿足現(xiàn)代電子信息技術對封裝材料的要求，新型復合材料的開發(fā)是解決這些問題的重要途徑。而高硅sip/al復合材料因為其高熱導、低熱膨脹、低密度等優(yōu)異的性能，特別是其機加工性能優(yōu)于另一種典型封裝材料—高體積的sicp/al復合材料，而受到業(yè)界的關，并已實用化。

英國ospray公司開發(fā)的噴射沉積制備高硅sip/al復合材料有諸多優(yōu)點，但由于噴射沉積坯件的致密度不高，坯件須進行后續(xù)致密化處理(熱壓、熱等靜壓、鍛造等)，工序較繁雜，設備昂貴。此外，將致密的錠塊加工成形狀復雜的腔體零件，加工量大，材料利用率低，加工成本高。因此，高硅sip/al復合材料制品的價格昂貴，限制了其應用范圍。而采用熔滲法制備高硅sip/al復合材料，其中的si相的含量難以準確控制，且熔滲溫度高，會形成粗大的初晶si片，惡化復合材料的顯微組織，對復合材料的熱學、力學性能也會產(chǎn)生十分不利的影響。粉末冶金法是制備金屬基復合材料最重要的方法之一，具有工藝簡單，燒結溫度低，復合材料中增強體含量及分布精確控制等優(yōu)點，特別是，可以大尺寸或復雜性形狀零部件的近凈成形，大大降低加工量和材料損耗，降低加工成本，因而，采用粉末冶金法制備高硅sip/al復合材料及器件優(yōu)勢顯著。因此，開發(fā)成熟的高硅sip/al電子封裝復合材料粉末冶金制備技術，提高復合材料性能，滿足我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，具有重要意義和工程應用的價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種高硅sip/al合金復合材料的制備方法，所要解決的技術問題是通過優(yōu)化制備參數(shù)以提高高硅sip/al合金復合材料的力學及熱物理性能。

本發(fā)明有針對性地對市購的si粉體進行淘洗，去除其中的細小si顆粒，合理選配不同粒徑的si粉體與al合金粉體，提高壓坯的致密度，并采用常壓燒結這一最簡單易行的粉末冶金材料燒結技術，替代噴射沉積、熱壓等致密化工藝，實現(xiàn)高硅sip/al合金復合材料的低成本制備，并賦予其理想的顯微組織結構與優(yōu)異的性能，滿足電子信息產(chǎn)業(yè)對新型封裝材料日益提高的性能要求，促進相關產(chǎn)業(yè)快速、高水平發(fā)展。

本發(fā)明制備的高硅sip/al合金復合材料中，sip的含量為30-50wt％，優(yōu)選為30wt％，余量為al合金。

本發(fā)明高硅sip/al合金復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)淘洗：將市購的si粉體在去離子水中超聲處理10-20min，隨后靜置10-20min，將去離子水連同懸浮于其中的細小sip一起倒掉，重復淘洗3-5次，直至去離子水完全澄清；淘洗后的si粉體于150℃保溫干燥12h備用，淘洗后的sip粉體的平均粒徑(d50)為10-50μm；

(2)配料：將淘洗后的sip粉體與市購的平均粒徑(d50)為5-20um的al合金粉體按照配比量進行配料；所述al合金粉體為si的質量百分含量為0.5-3wt％、mg的質量百分含量為0.5-3wt％的6系al合金粉體。

(3)混料：sip粉體與al合金粉體的混合在雙軸滾筒混料機上進行，加入直徑為5-15mm的zro2球作為混料介質，球料比為2:1，輥軸轉速為300-400r/min，混料時間為6-8h；

(4)壓制成形：向步驟(3)獲得的混合粉體中滴加成形劑，在滴加的過程中不斷攪拌直至成形劑在混合粉體中均勻分布，隨后將獲得的混合料填入陰模內(nèi)壁涂抹硬脂酸鋅的鋼制模具中，單向施加400-600mpa的軸向壓力，保壓時間1-5min壓制成形；

步驟(4)中，以100g混合粉體計，所述成形劑是將混合粉體重量2-5g的固體石蠟溶于0.5-1ml液體石蠟中形成的粘稠液體。

(5)常壓燒結：將步驟(4)獲得的壓坯放入石英管式燒結爐中常壓燒結，燒結溫度為660-720℃，燒結時間為1-3h，制備得到高硅sip/al合金復合材料。整個常壓燒結過程均在流動的99.99vol％高純氮氣保護下進行，氮氣的流速為50-100ml/min。

步驟(5)中，石英管式燒結爐的升溫速率設置為5℃/min，試樣保溫完成后程序控制降溫至500℃，降溫速率為2-5℃/min，之后隨爐冷卻至室溫。

步驟(5)中，燒結溫度優(yōu)選為680℃。

本申請制備的30wt％sip/al合金復合材料的致密度為98.2％，抗彎強度為244.6mpa，熱導率為139.1w/(m·k)，25℃-100℃的平均熱膨脹系數(shù)為15.1×10^-6/k；50wt％sip/al合金復合材料致密度可達97％，抗彎強度達到214mpa，熱導率達到130w/(m·k)，25℃-100℃的平均熱膨脹系數(shù)低至10.1×10^-6/k。該高硅sip/al合金復合材料的綜合性能優(yōu)良，可用作高性能電子封裝材料。

和其它的高硅sip/al合金復合材料制備方法(如無壓熔滲、熱壓等)相比，本發(fā)明采用sip粉體淘洗、si粉體與al合金粉體粒徑選配、成形劑的選擇與添加及常壓燒結的工藝優(yōu)化的措施，制備出sip分布均勻，高致密的高硅sip/al合金復合材料。

附圖說明

圖1為實施例1中700℃燒結的50wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

圖2為實施例2中680℃燒結的50wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

圖3為實施例3中720℃燒結的50wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

圖4為實施例4中680℃燒結的30wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

圖5為實施例5中660℃燒結的30wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

圖6為實施例6中700℃燒結的30wt％sip/6061al復合材料的顯微組織(a)和斷口形貌(b)。

具體實施方法

下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的解釋和說明

包括以下步驟：

實施例1：50wt％sip/6061al復合材料，700℃常壓燒結

(1)淘洗：將市購的si粉體在去離子水中超聲處理10-20min，隨后靜置10-20min，將去離子水連同懸浮于其中的細小sip一起倒掉，重復淘洗3-5次，直至去離子水完全澄清；淘洗后的si粉體于150℃保溫干燥12h備用，淘洗后的sip粉體的平均粒徑(d50)為30μm；

(2)配料：將淘洗后的sip粉體與市購的平均粒徑(d50)為20um的al合金粉體按照質量比1:1配比量進行配料；

(3)混料：sip粉體與al合金粉體的混合在雙軸滾筒混料機上進行，加入直徑為5-15mm的zro2球作為混料介質，球料比為2:1，輥軸轉速為300-400r/min，混料時間為7h；

(4)壓制成形：向步驟(3)獲得的混合粉體中滴加成形劑，在滴加的過程中不斷攪拌直至成形劑在混合粉體中均勻分布，隨后將獲得的混合料填入陰模內(nèi)壁涂抹硬脂酸鋅的鋼制模具中，單向施加400mpa的軸向壓力，保壓時間3min壓制成形；

步驟(4)中，以100g混合粉體計，所述成形劑是將混合粉體重量3g的固體石蠟溶于0.5-1ml液體石蠟中形成的粘稠液體。

(5)常壓燒結：將步驟(4)獲得的壓坯放入石英管式燒結爐中常壓燒結，燒結溫度為700℃，燒結時間為1-3h，制備得到50wt％sip/al合金復合材料。整個常壓燒結過程均在流動的99.99vol％高純氮氣保護下進行，氮氣的流速為100ml/min。

石英管式燒結爐的升溫速率設置為5℃/min，試樣保溫完成后程序控制降溫至500℃，降溫速率為2℃/min，之后隨爐冷卻至室溫。

實施例2：50wt％sip/6061al復合材料，680℃常壓燒結

本實施例的制備過程同實施例1，不同的是步驟(5)中的燒結溫度為680℃，其它工藝過程及參數(shù)不變。

實施例3：50wt％sip/6061al復合材料，720℃常壓燒結

本實施例的制備過程同實施例1，不同的是步驟(5)中的燒結溫度為720℃，其它工藝過程及參數(shù)不變。

由圖1-3看出，常壓燒結制備的50wt％sip/6061al復合材料中sip均勻分布于al合金基體中，復合材料的氣孔率低，致密度高。實施例1中700℃制備的50wt％sip/6061al復合材料結構最為致密，無明顯氣孔，sip/al界面清晰，與sip與al合金基體結合良好(圖1a)。而在比700℃低或高溫度下制備的50wt％sip/6061al復合材料(實施例2、3)，在al合金基體和sip/al界面處存在一些氣孔，使致密度降低(圖2,3a)。在上述的3個實施例所制備得到的50wt％sip/6061al復合材料斷面中，al合金基體的撕裂明顯，sip斷面平整，呈現(xiàn)解理斷裂特征，無sip拔出現(xiàn)象，sip/al界面結合強度較高，說明此工藝條件下制備的50wt％sip/6061al復合材料具有良好的顯微組織結構(圖1-3b)。實施例1中700℃常壓燒結制備的50wt％sip/6061al復合材料的主要性能如下：致密度為97.6％，抗彎強度為214.1mpa，硬度為145.4hb，熱導率為130.4w/(m·k)，25℃-100℃的平均熱膨脹系數(shù)為10.1×10^-6/k。

實施例4：30wt％sip/6061al復合材料，680℃常壓燒結

本實施例的制備過程同實施例1，不同的是sip含量為30wt％，步驟(5)中的燒結溫度為680℃，其它工藝過程及參數(shù)不變。

實施例5：30wt％sip/6061al復合材料，660℃常壓燒結

本實施例的制備過程同實施例1，不同的是sip含量為30wt％，步驟(5)中的燒結溫度為660℃，其它工藝過程及參數(shù)不變。

實施例6：30wt％sip/6061al復合材料，700℃常壓燒結

本實施例的制備過程同實施例1，不同的是sip含量為30wt％，步驟(5)中的燒結溫度為700℃，其它工藝過程及參數(shù)不變。

由圖4-6看出，常壓燒結制備的30wt％sip/6061al復合材料中sip均勻分布于al合金基體中，al合金基體呈現(xiàn)連續(xù)的網(wǎng)絡狀分布。實施例4中680℃燒結制備的30wt％sip/6061al復合材料中無明顯氣孔，致密度最高，sip/al界面清晰，結合良好(圖4a)。而在比680℃低和高溫度下制備的30wt％sip/6061al復合材料中(實施例5、6)，復合材料中存在少量氣孔，多分布于sip/6061al界面處，致密度降低(圖5，6a)。同樣，在上述的3個實施例所制備得到的30wt％sip/6061al復合材料斷面中，6061al合金基體發(fā)生明顯的撕裂，斷面上密集地分布著細小的韌窩，sip呈解理斷裂，斷面平整，界面結合強度高(圖4-6b)。實施例4中680℃常壓燒結制備的30wt％sip/6061al復合材料的主要性能如下：致密度為98.2％，抗彎強度為244.6mpa，硬度為100hb，熱導率為139.1w/(m·k)，25℃-100℃的平均熱膨脹系數(shù)為15.1×10^-6/k。

cn100411158c公布了一種采用al-si合金粉熱擠壓加高溫氧化的方法制備al:si(質量比)為6-8.8:4-1.2的高硅鋁合金，其中，與本申請中30wt％sip/6061al復合材料的si含量相近的al-26si及al-33si的高硅鋁合金熱導率分別為126.4和118.2w/(m·k)，均較低。cn106475545a公布了一種利用液固相分離制備電子封裝用高硅鋁復合材料的方法，采用半固態(tài)壓力凝固制備含40-70wt％si的高硅sip/al復合材料。其中，與本申請中50wt％sip/6061al復合材料的si含量相近的50.6wt％sip/al復合材料的致密度99.6％，熱導率為119.5w/(m·k)，25℃-100℃平均熱膨脹系數(shù)為9.6×10^-6/k，抗彎強度為132mpa。其熱導率及抗彎強度均較低。cn102094142b公開了一種通過快速熱壓制備al:si(質量比)為70-40:30-60高硅鋁合金電子封裝材料的方法，但未公開材料的具體性能。cn105986132a公開了一種通過噴射沉積與近熔點壓制致密化制備的高硅鋁合金電子封裝材料的方法，采用噴射沉積加近熔點壓制致密化的方法制備si含量為30wt％的高硅鋁合金的熱導率為159w/(m·k)，25℃-100℃平均熱膨脹系數(shù)為15.8×10^-6/k，si含量為50wt％的高硅鋁合金的熱導率為125w/(m·k)，25℃-100℃平均熱膨脹系數(shù)為11.1×10^-6/k。與本發(fā)明的30、50wt％sip/6061al復合材料相比，平均熱膨脹系數(shù)相當，si含量為30wt％的高硅鋁合金熱導率較高，而si含量為50wt％的高硅鋁合金的熱導率較低，但該發(fā)明專利中復合材料的制備方法要復雜得多。