一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鋁基復(fù)合材料的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明通過將硅粉和鋁粉按比例在混料罐中均勻混合制成粉末混合物，粉末混合物經(jīng)過冷等靜壓、高溫高真空除氣、熱等靜壓致密化處理獲得100%致密、內(nèi)部無孔隙的Si/Al復(fù)合材料坯錠。本發(fā)明方法工藝簡單和穩(wěn)定，成本低，是制備高可靠和質(zhì)量穩(wěn)定的封裝材料的首選方法之一。該方法制備的Si/Al復(fù)合材料不僅具有輕質(zhì)低膨脹和高導(dǎo)熱特征，還具有較高且穩(wěn)定的力學(xué)性能，尤其具備良好的激光焊接工藝性能和高氣密性特征，是一類功能結(jié)構(gòu)一體化的先進(jìn)鋁基復(fù)合材料，可作為微電子器件和光電器件的氣密封裝外殼應(yīng)用。
【專利說明】一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋁基復(fù)合材料的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可激光焊接的鋁基復(fù)合 材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)電子裝備的微電路組件逐漸向小型輕量化、高工作頻率、高功率密度、高集成度 和高可靠性方向發(fā)展。作為微電路組件的重要組成部分，金屬封裝殼體起著機(jī)械支撐、散熱 通道、信號傳輸、芯片和基板保護(hù)等重要作用，其要求封裝殼體材料必須具備高導(dǎo)熱(芯片 散熱)、低熱膨脹系數(shù)(與陶瓷基板匹配以減少熱應(yīng)力），優(yōu)異的氣密性(滿足組件氣密封裝 要求)、良好的機(jī)加工與連接性能。傳統(tǒng)的Cu、Al、Ti、Kovar合金、W/Cu等金屬材料在熱膨脹 系數(shù)匹配、輕量化和氣密焊接等方面已無法滿足封裝殼體越來越高的使用要求。與傳統(tǒng)封 裝殼體材料相比，AV (50?75%) SiC復(fù)合材料具有熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)與GaAs芯片匹配性 較好、密度低的優(yōu)勢，在國外獲得了批量應(yīng)用。但是，由于Al/SiC復(fù)合材料中陶瓷含量高， 焊接工藝性差，基本不能適用熔化焊接技術(shù)；且機(jī)加工性能也較差，難以滿足微電子器件大 批量、穩(wěn)定制造和快速加工的要求。
[0003] 硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（40?70wt. %Si/Al)是在過去20年中迅速發(fā)展起來的 一類功能結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料，是一種理想的輕質(zhì)電子封裝材料，它是由高含量硅顆粒均勻 彌散分布在鋁基體中形成的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。Si/Al復(fù)合材料具有與GaAs器件相匹 配的熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、低密度、合適的剛度，易于精密加工成型，具有熔化焊接和表面 涂覆工藝性能，與標(biāo)準(zhǔn)微電子組裝工藝相容的特點(diǎn)。上世紀(jì)90年代國外已采用噴射成形技 術(shù)研制了綜合性能較好、可激光焊接的Si/Al封裝材料。過去10年，國內(nèi)陸續(xù)開展了 Si/Al 封裝材料研究，并申請了多項(xiàng)鋁硅電子封裝材料及制備工藝的發(fā)明專利。
[0004] 作為微波器件或光電器件的氣密封裝外殼材料，必須具備良好的熔化焊接性能， 如采用標(biāo)準(zhǔn)激光焊接工藝組裝成密閉殼體后具有高氣密性（GJB548規(guī)定He氣質(zhì)譜檢測漏 氣率不超過2X KT8Pa · m3/s)，以滿足高效率低成本的組裝制造要求和器件高穩(wěn)定長壽命 運(yùn)行的要求。良好的激光焊接工藝性能和高氣密性要求材料自身必須100%致密且內(nèi)部無 微觀孔隙，材料組織細(xì)小均勻。材料內(nèi)部孔隙在激光焊接環(huán)節(jié)中將引發(fā)嚴(yán)重的焊接氣孔問 題，焊接氣孔將導(dǎo)致連接強(qiáng)度和封裝氣密性無法滿足要求；還會導(dǎo)致材料力學(xué)性能差、組織 性能不均勻，易引發(fā)應(yīng)力集中，使殼體零件無法承受機(jī)加工、熔化焊接和釬焊等工藝引起的 應(yīng)力和變形，從而對基板和芯片起不到長期有效的機(jī)械保護(hù)作用。
[0005] 典型的封裝用硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為中/高體分復(fù)合材料，此類材料由于脆 性增強(qiáng)顆粒含量高，材料塑性差，基本無法進(jìn)行熱擠壓或熱鍛造變形加工，材料只能依靠制 備過程實(shí)現(xiàn)組織致密化。因此亟待開發(fā)一種適用于輕質(zhì)低膨脹、可激光焊接、高封裝氣密性 的鋁基復(fù)合材料的制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料及其制備方 法。
[0007] -種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：
[0008] (1)根據(jù)所設(shè)計(jì)的鋁基復(fù)合材料的重量，按照鋁基復(fù)合材料中硅含量為20wt%? 60wt%，鋁含量為40wt%?80wt%的比例稱取硅粉和鋁合金粉；
[0009] (2)將按照步驟（1)稱取的硅粉、鋁合金粉和不銹鋼球投入錐形混料罐中混料5? 40小時(shí)，獲得均勻的Si-Al粉末混合物；
[0010] 其中，不銹鋼球與Si-Al粉末混合物的重量比為（0. 5?3):1，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為30? 100r/min ；
[0011] (3)將步驟（2)制得的Si-Al粉末混合物裝入橡膠包套中冷等靜壓制成相對致密 度為65%?75%的冷等靜壓坯錠；
[0012] 其中，冷等靜壓的壓強(qiáng)為150?200MPa，保壓時(shí)間為5?30min ;
[0013] (4)將步驟（3)制備的冷等靜壓坯錠裝入鋁包套中進(jìn)行真空除氣處理；
[0014] 所述的真空除氣處理方法如下：在鋁包套內(nèi)部真空值不高于2X KT2Pa的條件下， 加熱冷等靜壓坯錠，使冷等靜壓坯錠以10?30°C /h的升溫速率升溫至505?590°C，然 后保持505?590°C至少1小時(shí)；除氣完成后，鋁包套封口前，其內(nèi)部真空值應(yīng)不高于于 2 X KT3Pa,并能保持至少30min ;
[0015] (5)將經(jīng)步驟（4)真空除氣后的冷等靜壓坯錠進(jìn)行熱等靜壓致密化加工處理，得到 完全致密的熱等靜壓坯錠；
[0016] 其中，熱等靜壓處理的溫度為505?590°C，壓強(qiáng)為100?150MPa，保溫時(shí)間2? 5h ；
[0017] (6)將步驟（5)得到的熱等靜壓坯錠去除鋁包套即得到一種可激光焊接的鋁基復(fù) 合材料。
[0018] 所述娃粉中娃含量不低于99. 9wt%，雜質(zhì)兀素 Fe、Al和Ca的含量均不高于 0· 02wt% ;硅粉的粒徑為1 μ m?50 μ m，平均粒徑為5 μ m?20 μ m。
[0019] 所述鋁合金粉的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為Cu :0?4. 5%、Fe :0?0. 3%、Si :0? 0. l%、Ni :0. 2?2. 0%、0:0?0. 2%、其余為Al ;所述鋁合金粉的粒徑為1 μ m?80 μ m，平均 粒徑為3 μ m?30 μ m。
[0020] 一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料，所述鋁基復(fù)合材料是以硅顆粒作為增強(qiáng)體、鋁 作為連續(xù)型基體的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；所述鋁基復(fù)合材料是通過權(quán)利要求1所述的 制備方法所制備得到的，其中硅顆粒的含量為20wt%?60wt%，鋁基體的含量為40wt%? 80wt%〇
[0021] 所述硅顆粒中硅含量不低于99. 9wt%，雜質(zhì)元素 Fe、Al和Ca的含量均不高于 0. 02wt%〇
[0022] 所述鋁基體的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為Cu :0?4. 5%、Fe :0?0. 3%、Si :0? 0· l%、Ni :0· 2 ?2. 0%、0 :0 ?0· 2%、其余為 A1。
[0023] 本發(fā)明的有益效果為：
[0024] 本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1)粉末冶金工藝可對高氣密封裝殼體用鋁基復(fù)合材 料進(jìn)行設(shè)計(jì)制備，精確控制材料組織成分(如硅顆粒含量、硅顆粒尺寸、硅顆粒分布、鋁基體 的成分等）來獲得相應(yīng)的綜合性能；（2)該制備方法把影響材料品質(zhì)、穩(wěn)定性和可靠性的幾 個(gè)關(guān)鍵組織特征分別依靠某一個(gè)工序過程為主來控制，如原料硅粉末粒度的選擇基本確定 了最終坯錠中硅顆粒的粒度及粒度分布范圍，混合工藝基本確定了硅顆粒在鋁基體中的分 布情況，冷等靜壓坯錠的致密度可以完全保證粉末之間的孔隙連通，真空熱除氣可以保證 坯錠中不會殘留氣體，熱等靜壓致密化過程可以穩(wěn)定形成均勻一致的Si-Al界面結(jié)合，整 個(gè)流程完成后，基本可以實(shí)現(xiàn)微觀組織特征較為精確量化控制，有利于控制材料的穩(wěn)定性 和可靠性；（3)本發(fā)明方法易于實(shí)現(xiàn)工程化，原材料利用率高，工藝成本低，是制備高性能、 高可靠、性能質(zhì)量高度一致的封裝材料的最具競爭力的工藝之一。
[0025] 使用本發(fā)明方法制備的鋁基復(fù)合材料與傳統(tǒng)的類似成分的鋁硅材料相比，不僅具 有完全致密、可激光焊接和高氣密性，還具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、強(qiáng)度性能均 勻一致、力學(xué)性能數(shù)據(jù)波動小、機(jī)加工性能好等特點(diǎn)，尤其具備良好的激光焊接工藝性能 (表現(xiàn)為焊縫表面成形美觀、焊縫內(nèi)部不易形成焊接氣孔和裂紋，焊接工藝窗口寬）；并可采 用常規(guī)機(jī)加工手段精密加工制成封裝外殼零件；適用于微電子器件和光電器件的氣密封裝 外殼以及散熱部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖Ia為實(shí)施例1鋁基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片，圖Ib為實(shí)施例1鋁基復(fù)合材料 的激光自熔焊縫表面形貌，圖Ic為實(shí)施例1鋁基復(fù)合材料的焊縫橫剖面內(nèi)部組織照片；
[0027] 圖2a為實(shí)施例2鋁基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片，圖2b為實(shí)施例2鋁基復(fù)合材料 的激光自熔焊縫表面形貌，圖2c為實(shí)施例2鋁基復(fù)合材料的焊縫橫剖面內(nèi)部組織照片。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明提供了一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料及其制備方法，下面結(jié)合附圖和具 體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029] 實(shí)施例1 :制備90kg50wt%Si/Al的鋁基復(fù)合材料：
[0030] (1)稱取平均粒徑為5. 5 μ m的硅粉45kg和平均粒徑為4. 6 μ m的鋁合金粉45kg ;
[0031] (2)將按照步驟（1)稱取的硅粉和鋁合金粉，和90kg的不銹鋼球投入錐形混料罐 中混料30小時(shí)，獲得均勻的Si/Al粉末混合物；混料機(jī)轉(zhuǎn)速為50r/min ;
[0032] (3)將步驟（2)制得的Si/Al粉末混合物裝入尺寸為Φ 380mmXH645mm的橡膠包 套中冷等靜壓制成相對致密度為69%的冷等靜壓坯錠；冷等靜壓的壓強(qiáng)為200MPa，保壓時(shí) 間為15min ;
[0033] (4)將步驟（3)制備的冷等靜壓坯錠裝入尺寸為（j5 340mmXH580mm的鋁包套中進(jìn) 行真空除氣處理；方法如下：在鋁包套內(nèi)部真空值不高于2 X KT2Pa的條件下，加熱冷等靜 壓坯錠，使冷等靜壓坯錠以10?30°C /h的升溫速率升溫至575°C，然后保持575°C至少1 小時(shí)；同時(shí)，除氣完成后、鋁包套封口前鋁包套內(nèi)部真空值為2X KT3Pa并能保持30min以 上；
[0034] (5)將經(jīng)步驟（4)真空除氣后的冷等靜壓坯錠進(jìn)行熱等靜壓致密化加工處理，得到 完全致密的熱等靜壓坯錠；熱等靜壓處理的溫度為575°C，壓強(qiáng)為150MPa，保溫時(shí)間5h ;
[0035] (6)將步驟（5)得到的熱等靜壓坯錠去除鋁包套即得到外形尺寸為 Φ 300mmX H510mm鋁基復(fù)合材料，其性能參數(shù)見表I，其光學(xué)顯微照片、激光自熔焊縫表面 形貌及焊縫橫剖面內(nèi)部組織照片分別見圖la、圖Ib和圖lc。
[0036] 實(shí)施例2 :制備50kg27wt%Si/Al的鋁基復(fù)合材料：
[0037] (1)稱取平均粒徑為9. 2μπι的硅粉13. 5kg和平均粒徑為8. 8μπι的鋁合金粉 36. 5kg ；
[0038] (2)將按照步驟（1)稱取的硅粉和鋁合金粉，和40kg的不銹鋼球投入錐形混料罐 中混料24小時(shí)，獲得均勻的Si/Al粉末混合物；混料機(jī)轉(zhuǎn)速為80r/min ;
[0039] (3)將步驟（2)制得的Si/Al粉末混合物裝入尺寸為（j5 280mmXH630mm的橡膠包 套中冷等靜壓制成相對致密度為74%的冷等靜壓坯錠；冷等靜壓的壓強(qiáng)為150MPa，保壓時(shí) 間為IOmin ;
[0040] (4)將步驟（3)制備的冷等靜壓坯錠裝入尺寸為（j5 248mmXH570mm的鋁包套中進(jìn) 行真空除氣處理；方法如下：在鋁包套內(nèi)部真空值不高于2X KT2Pa的條件下，加熱冷等靜 壓坯錠，使冷等靜壓坯錠以10?30°C /h的升溫速率升溫至560°C，然后保持560°C至少1 小時(shí)；同時(shí)，除氣完成后、鋁包套封口前鋁包套內(nèi)部真空值為2X KT3Pa并能保持30min以 上；
[0041] (5)將經(jīng)步驟（4)真空除氣后的冷等靜壓坯錠進(jìn)行熱等靜壓致密化加工處理，得到 完全致密的熱等靜壓坯錠；熱等靜壓處理的溫度為560°C，壓強(qiáng)為105MPa，保溫時(shí)間3h ;
[0042] (6)將步驟（5)得到的熱等靜壓坯錠去除鋁包套即得到外形尺寸為 Φ210πιπιΧΗ505πιπι鋁基復(fù)合材料，其性能參數(shù)見表1，其光學(xué)顯微照片、激光自熔焊縫表面 形貌及焊縫橫剖面內(nèi)部組織照片分別見圖2a、圖2b和圖2c。。
[0043] 表1采用本發(fā)明的方法制備的Si/Al復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)表
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下： (1) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的鋁基復(fù)合材料的重量，按照鋁基復(fù)合材料中硅含量為20wt%? 60wt%，鋁含量為40wt%?80wt%的比例稱取硅粉和鋁合金粉； (2) 將按照步驟（1)稱取的硅粉、鋁合金粉和不銹鋼球投入錐形混料罐中混料5?40 小時(shí)，獲得均勻的Si-Al粉末混合物； 其中，不銹鋼球與Si-Al粉末混合物的重量比為（0. 5?3) :1，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為30? 100r/min ； (3) 將步驟（2)制得的Si-Al粉末混合物裝入橡膠包套中冷等靜壓制成相對致密度為 65%?75%的冷等靜壓坯錠； 其中，冷等靜壓的壓強(qiáng)為150?200MPa，保壓時(shí)間為5?30min ; (4) 將步驟（3)制備的冷等靜壓坯錠裝入鋁包套中進(jìn)行真空除氣處理； 所述的真空除氣處理方法如下：在鋁包套內(nèi)部真空值不高于2X KT2Pa的條件下，加熱 冷等靜壓坯錠，使冷等靜壓坯錠以10?30°C /h的升溫速率升溫至505?590°C，，然后保持 505?590°C至少1小時(shí)；除氣完成后，鋁包套封口前，其內(nèi)部真空值應(yīng)不高于于2X10_ 3Pa， 并能保持至少30min ; (5) 將經(jīng)步驟（4)真空除氣后的冷等靜壓坯錠進(jìn)行熱等靜壓致密化加工處理，得到完全 致密的熱等靜壓坯錠； 其中，熱等靜壓處理的溫度為505?590°C，壓強(qiáng)為100?150MPa，保溫時(shí)間2?5h ; (6) 將步驟（5)得到的熱等靜壓坯錠去除鋁包套即得到一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材 料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述硅粉中硅含量不低于99. 9wt%， 雜質(zhì)元素 Fe、Al和Ca的含量均不高于0. 02wt% ;硅粉的粒徑為1 μ m?50 μ m，平均粒徑為 5 μ m ?20 μ m〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述鋁合金粉的化學(xué)成分按重量百 分比計(jì)為 Cu :0 ?4. 5%、Fe :0 ?0· 3%、Si :0 ?0· l%、Ni :0· 2 ?2. 0%、0 :0 ?0· 2%、其余為 Al ;所述錯(cuò)合金粉的粒徑為1 μ m?80 μ m，平均粒徑為3 μ m?30 μ m。
4. 一種可激光焊接的鋁基復(fù)合材料，其特征在于：所述鋁基復(fù)合材料是以硅顆粒作為 增強(qiáng)體、鋁作為連續(xù)型基體的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；所述鋁基復(fù)合材料是通過權(quán)利要求 1所述的制備方法所制備得到的，其中硅顆粒的含量為20wt%?60wt%，鋁基體的含量為 40wt% ?80wt%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁基復(fù)合材料，其特征在于：所述硅顆粒中硅含量不低于 99. 9wt%，雜質(zhì)元素 Fe、Al和Ca的含量均不高于0. 02wt%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁基復(fù)合材料，其特征在于：所述鋁基體的化學(xué)成分按重量 百分比計(jì)為 Cu :0 ?4. 5%、Fe :0 ?0· 3%、Si :0 ?0· l%、Ni :0· 2 ?2. 0%、0 :0 ?0· 2%、其余 為A1。
【文檔編號】C22C1/05GK104213004SQ201310222249
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月5日
【發(fā)明者】劉彥強(qiáng), 樊建中, 熊柏青, 馬自力, 魏少華, 左濤 申請人:北京有色金屬研究總院