專利名稱：低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含鋁、硅和氮化鋁的混雜復(fù)合材料及其制備方法，特別涉及一種具有低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等綜合性能優(yōu)勢(shì)，因而在宇航、微電子和交通領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。鋁基復(fù)合材料大多采用碳化硅、氧化鋁、硅、氮化鋁、碳化硼等顆?；蚓ы殻约袄w維等作為增強(qiáng)材料。其中，硅是一種輕質(zhì)、低熱膨脹、高強(qiáng)度的理想增強(qiáng)材料；硅的密度(2.33g/cm3)比鋁合金低14%，它具有極低的膨脹系數(shù)(2.6 X KT6IT1)、較高的導(dǎo)熱率和彈性模量，與其他幾種陶瓷增強(qiáng)材料相比硅具有良好的加工制造工藝性能，因此硅鋁復(fù)合材料(Si/Al)在最近十幾年中得到了極大的重視，最具代表性的是以微電子封裝為應(yīng)用背景的低比重、低膨脹、高導(dǎo)熱、高硅含量Si/Al復(fù)合材料(硅的體積百分含量為40wt.% 75wt.%)，其加工和制備工藝窗口相對(duì)較寬，國外已部分實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。然而，目前所制備的Si/Al復(fù)合材料的綜合性能和制造性能仍然難以滿足應(yīng)用需求。熱膨脹系數(shù)是Si/Al封裝復(fù)合材料最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，以60Vol% 70vol% Si/Al為例，其熱膨脹系數(shù)為7.5 10.5 X 10_6ppm/K，但由于材料主要成分為硬脆性硅，以及材料內(nèi)部不可避免含有缺 陷等因素導(dǎo)致材料的機(jī)加工工藝性能較差，難以滿足小尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)電子封裝外殼件的精密制造要求；降低硅含量可以提升復(fù)合材料的強(qiáng)韌性，改善機(jī)加工特性，但復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨之升高，無法滿足封裝件的指標(biāo)要求。氮化鋁(AlN)也是常用的陶瓷增強(qiáng)材料之一，AlN具有高導(dǎo)熱、高模量、低膨脹等優(yōu)勢(shì)。AlN作為增強(qiáng)材料，其增強(qiáng)增韌和降低鋁基材料熱膨脹的效果均比Si好，但AlN屬于共價(jià)鍵化合物，粉末燒結(jié)性能差，與金屬鋁不潤濕，制備高AlN含量的A1N/A1復(fù)合材料的難度較大。采用AlN和Si混雜增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)陀诓捎脝我?Si增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料，而AlN-S1-Al的密度僅為2.55 2.7g/cm3,明顯低于已經(jīng)獲得應(yīng)用的55% 70% SiC/Al電子封裝復(fù)合材料；該復(fù)合材料的制備和加工工藝性比A1N/A1和SiC/Al良好。制備AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電子封裝材料低比重、低熱膨脹和高強(qiáng)度綜合性能的新途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，該材料高度致密、組織均勻。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的:一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，其重量百分比組成為:A1N:IOwt.% 25wt.%, Si:40wt.% 45wt.%, Al:30wt.% 50wt.%，其中，AlN 和 Si 作為增強(qiáng)材料以顆粒形式均勻彌散分布在連續(xù)的鋁基體中，形成AlN顆粒和Si顆?；祀s增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料?？刹捎梅勰┮苯鸸に囍苽?，所制得的復(fù)合材料具有均勻的微觀組織且完全致密。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料較低的熱膨脹系數(shù)，AlN和Si增強(qiáng)顆粒的重量百分比之和在50wt.0A 70wt.%之間選擇；為了保持復(fù)合材料良好的機(jī)加工性能，AlN的含量不超過30wt.% ο為了選擇合理的增強(qiáng)顆粒尺寸來滿足復(fù)合材料的高強(qiáng)度要求，優(yōu)選Si顆粒與AlN的顆粒平均尺寸之比大于或接近2，例如大于等于1.75，以使小尺寸的AlN顆粒填充到大尺寸的Si顆粒間隙，使得在顆?？偤看_定的情況下，最大程度提高顆粒分散均勻性；優(yōu)選AlN顆粒平均尺寸在3 μ m 20 μ m之間選擇,Si顆粒平均尺寸在5μηι 50μηι之間選擇。在AlN顆粒和Si顆粒的總含量超過50wt.%的情況下，在AlN-S1-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度優(yōu)選不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒徑在
3μ m 20 μ m之間選擇。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備工藝，采用這種工藝制備的AlN-S1-Al復(fù)合材料具有低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度；所制得的復(fù)合材料機(jī)加工工藝性能良好，可采用常規(guī)機(jī)加工手段加工成含有薄壁、小孔等結(jié)構(gòu)的微電子封裝件。低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，是以粉末冶金制備工藝為基礎(chǔ)，通過選擇合適的AlN和Si增強(qiáng)顆粒的含量，選擇合理的粉末顆粒尺寸配比，控制粉末固結(jié)和致密化工藝制備出所述的低熱膨脹、高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料坯錠，具體實(shí)施步驟如下。一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，采用粉末冶金制備工藝，包括如下步驟:
(I)將Al粉、AlN粉和Si粉按照占上述三種總的混合粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為AlN:IOwt.% 25wt.%, Si:40wt.% 45wt.%, Al:30wt.% 50wt.%，配料并均勻混合制成AlN-S1-Al混合粉末；(2)將所得混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型制成冷等靜壓坯料；(3)將冷等靜壓坯料進(jìn)行真空熱壓致密化處理，得到完全致密的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料坯錠；(4)將真空熱壓致密化的復(fù)合材料坯錠經(jīng)常規(guī)機(jī)械加工形成電子封裝部件。在上述步驟(I)中，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料較低的熱膨脹系數(shù)，滿足電子封裝的低膨脹要求(電子封裝外殼材料的熱膨脹系數(shù)一般在6.0 13.0ppm/K)，增強(qiáng)顆粒的重量百分比在50wt.% 70wt.%之間選擇，即優(yōu)選AlN和Si增強(qiáng)顆粒的重量百分比之和在50wt.% 70wt.%之間。在上述步驟(I)中，為了選擇合理的增強(qiáng)顆粒尺寸來滿足復(fù)合材料的高強(qiáng)度要求，優(yōu)選Si顆粒與AlN的顆粒尺寸之比大于或接近2,例如大于等于1.75, AlN粉的平均粒徑(顆粒平均尺寸)為3 μ m 20 μ m，Si粉的平均粒徑為5 μ m 50 μ m。在上述步驟⑴中，Al粉與Si粉和AlN粉的粒度比必須恰當(dāng)選擇，使得AlN粉顆粒和Si粉顆粒可以近似以單分散的形式均勻分布于純鋁粉中，避免存在AlN粉顆?；騍i粉顆粒的團(tuán)聚。該粒度比的選擇依據(jù)是:由于AlN顆粒和Si顆粒的總含量超過50wt.%,在AlN-S1-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度必須不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒徑在3 μ m 20 μ m之間選擇。在上述步驟(I)中，優(yōu)選地，Al粉的純度為99.8wt.%以上，Si粉的純度為99.9wt.% 以上。在上述步驟(2)中，所述的冷等靜壓成型的壓力100 200MPa，冷等靜壓成型的時(shí)間為10 30分鐘，冷等靜壓成型得到的冷等靜壓坯料(冷壓坯)相對(duì)致密度為67% 75% (相對(duì)致密度為實(shí)際密度與理論密度之比值)?？梢赃x擇將混合粉末封裝于膠皮包套中進(jìn)行冷等靜壓成型。在上述步驟(3)中，將冷等靜壓坯料裝入鋼模具中進(jìn)行真空熱壓致密化處理。在上述步驟(3)中，將冷等靜壓成型的坯料進(jìn)行真空熱壓致密化，致密化溫度的選擇對(duì)于AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的完全致密化至關(guān)重要。為了形成Al-Si和Al-AlN冶金界面，必須在所用的Al-Si合金液相線之上選擇恰當(dāng)?shù)臏囟?，使純Al粉和Si粉相互接觸的原始顆粒界面產(chǎn)生少量合金液相，液相對(duì)原始粉末顆粒間隙進(jìn)行充分填充，形成完全致密的復(fù)合材料坯錠。所述的真空熱壓·致密化處理是將冷等靜壓坯料在選定的溫度和壓力進(jìn)行保溫保壓處理；所述的真空熱壓致密化溫度在575°C 600°C范圍內(nèi)選擇，熱壓壓力為75 120MPa，保溫保壓時(shí)間為3小時(shí)。在上述步驟(3)中，所述的真空熱壓致密化的保溫保壓過程中熱壓爐內(nèi)須保持真空度不高于2X 10_2Pa，以完全去除粉末顆粒間隙的殘留氣體。在上述的步驟⑷中，所使用的機(jī)械加工為常規(guī)的車、銑、鉆、磨和電火花切割中的任意一種或幾種。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)采用高模量、高硬度、低熱膨脹的AlN顆粒和硬度適中、低比重、低熱膨脹的Si顆粒作為增強(qiáng)材料，所制備的AlN-S1-Al混雜增強(qiáng)復(fù)合材料具有低熱膨脹、高強(qiáng)度和良好的機(jī)加工工藝性能。(2)采用粉末冶金工藝，可在整個(gè)成分范圍內(nèi)準(zhǔn)確控制Si和AlN的含量，精確調(diào)控復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。(3)通過選用細(xì)粉直接混合制成混合粉末，使Al粉、Si粉和AlN粉在微米尺度充分混合，從根本上避免顆粒團(tuán)聚發(fā)生。(4)由于AlN屬于共價(jià)鍵化合物，其粉末難以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)致密，因此在存在部分Si粉的情況下，選擇適當(dāng)?shù)母邷刂旅芑に?，恰?dāng)利用Al-Si共晶反應(yīng)特點(diǎn)，促進(jìn)形成Al-Si和Al-AlN的冶金結(jié)合界面，促進(jìn)Si顆粒和AlN顆粒重排，制成完全致密的復(fù)合材料坯錠。(5)本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的工藝不同于鑄造法、液相浸滲法或原位法，可以通過簡單的粉末粒度控制制備出具有不同尺寸微觀組織的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料。本發(fā)明的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料有望成為高硅含量Si/Al和高SiC含量SiC/Al封裝材料的替代材料。本發(fā)明中用來制備AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的粉末冶金法為固相工藝，具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，具備實(shí)現(xiàn)工程化生產(chǎn)和批量應(yīng)用的潛力，是研制電子封裝用、高性能、組織性能穩(wěn)定的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料以及其他類型高顆粒含量鋁基復(fù)合材料最具競爭力的工藝之一。
本發(fā)明針對(duì)具有廣闊應(yīng)用前景的電子封裝用鋁基復(fù)合材料，提供了一種AlN顆粒和Si顆粒混雜增強(qiáng)、具有低熱膨脹(20°C 100°C的熱膨脹系數(shù)為7.0 10.5ppm/K)和高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為395MPa 450MPa)的鋁基復(fù)合材料及其制備方法。在本發(fā)明的低熱膨脹、高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料中，AlN和Si作為增強(qiáng)材料均以顆粒形式均勻分布在連續(xù)的鋁基體中，形成AlN顆粒和Si顆粒混雜增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。復(fù)合材料微觀組織均勻、完全致密且具有良好的機(jī)加工工藝性能。下面通過具體實(shí)施方式
和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1為IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al混合粉末掃描電鏡照片。圖2為25wt.% AlN-45wt.% S1-Al混合粉末掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例所制備的混雜復(fù)合材料為IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al，即AlN的含量為IOwt.%, Si的含量為40wt.% Si, Al含量為50wt.%。其制備方法采用如下技術(shù)方案:將純Al粉、AlN粉和Si粉按照三種粉末的質(zhì)量比5: I: 4，在錐形混料罐中均勻混合制成AlN-S1-Al混合粉末，混合粉末的顆粒分散特征見圖1所示，以使AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為IOwt.Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt.采用Φ 5mm不銹鋼球作為混粉介質(zhì),球料比為1:1,混粉時(shí)間為14小時(shí)；所述的純Al粉、AlN粉和Si粉的平均粒徑(d0.5，即超過50wt.%的粉末粒徑小于此尺寸)分別為8.5μπι、9μπι、15μπι ;將混合粉末裝入尺寸為Φ 90mm X 260mm的膠皮包套中冷等靜壓成 型，壓力為200MPa，保壓20分鐘，冷壓坯錠相對(duì)致密度為74%;將冷等靜壓成型的坯料裝入內(nèi)腔尺寸為Φ75_Χ220_的鋼模具中進(jìn)行真空熱壓致密化，得到完全致密的復(fù)合材料坯錠；真空熱壓溫度為575°C，壓力為75MPa，保溫保壓3小時(shí)，保溫期間保持爐內(nèi)真空度在5X 10_3Pa 2X 10_2Pa之間。熱壓坯錠的密度超過理論密度，經(jīng)簡單機(jī)加工后得到外形尺寸為Φ 70mmX 160mm、表面光潔的坯錠。真空熱壓致密化后IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al的實(shí)測(cè)密度為2.60.g/cm3,室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為450MPa和280MPa，20°C 100°C的熱膨脹系數(shù)為10.5ppm/K。實(shí)施例2本實(shí)施例所制備的混雜復(fù)合材料為25wt.% AlN-45wt.% S1-Al,即AlN的含量為25wt.%, Si的含量為45wt.% Si, Al含量為30wt.%。其制備方法采用如下技術(shù)方案:將純Al粉、AlN粉和Si粉按照三種粉末的質(zhì)量比1.2: I: 1.8，在錐形混料罐中均勻混合制成AlN-S1-Al混合粉末(混合粉末的顆粒分散特征見圖2所示)，以使AlN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25wt.%, Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45wt.% ,采用Φ 5mm不銹鋼球作為混粉介質(zhì),球料比為1: 1，混粉時(shí)間為20小時(shí)；所述的純Al粉、AlN粉和Si粉的平均粒徑分別為3 μ m、
4.5 μ m、9 μ m ;將混合粉末裝入尺寸為Φ84ι πιΧ 260mm的膠皮包套中冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓20分鐘，冷等靜壓坯料的相對(duì)致密度為69% ;將冷等靜壓成型的坯料裝入內(nèi)腔尺寸為Φ75πιπιΧ220mm的鋼模具中進(jìn)行真空熱壓致密化，得到完全致密的復(fù)合材料坯錠；真空熱壓溫度為600°C，壓力為120MPa，保溫保壓3小時(shí)，保溫期間保持爐內(nèi)真空度在5 X 10 2X 10_2Pa之間。熱壓坯錠的密度超過理論密度，經(jīng)簡單機(jī)加工后得到外形尺寸為Φ 70mmX 150mm、表面光潔的還錠。真空熱壓致密化后25wt.% AlN-45wt.% S1-Al的實(shí)測(cè)密度為2.65.g/cm3,室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為395MPa和225MPa，20°C 100°C的熱膨脹系數(shù)為7.0ppm/K。本發(fā)明中可選擇采用平均粒徑為3 μ m 20 μ m的Al粉和AlN粉，平均粒徑為5μπι 50μπι的Si粉。Al粉的純度可選擇99.8wt.%以上，Si粉的純度99.9wt.%以上。通過本發(fā)明方法制備的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，20°C 100°C的熱膨脹系數(shù)為7.0
10.5ppm/K，抗彎強(qiáng)度為 395MPa 450MPa，具有低熱膨脹和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，其特征在于，其重量百分比組成為:A1N: IOwt.% 25wt.%, Si:40wt.% 45wt.%, Al:30wt.% 50wt.%，其中，AlN 和Si作為增強(qiáng)材料以顆粒形式彌散分布在連續(xù)的鋁基體中，形成AlN顆粒和Si顆?；祀s增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，其特征在于:所述AlN和Si的重量百分比之和為50wt.% 70wt.V0o
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，其特征在于:所述AlN的顆粒平均尺寸為3 μ m 20 μ m，Si的顆粒平均尺寸為5 μ m 50 μ m，且Si與AlN的顆粒平均尺寸之比大于或等于1.75。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料，其特征在于:所述Al的顆粒平均尺寸為3 μ m 20 μ m，且Al的顆粒平均尺寸不大于Si或AlN的顆粒平均尺寸。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟: (1)將Al粉、AlN粉和Si粉按照重量百分比配料并均勻混合制成AlN-S1-Al混合粉末； (2)將所得混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型制成冷等靜壓坯料； (3)將冷等靜壓坯料進(jìn)行真空熱壓致密化處理，得到完全致密的AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料坯錠； (4)將真空熱 壓致密化的復(fù)合材料坯錠經(jīng)機(jī)械加工形成電子封裝部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述Al粉的純度為99.8wt.%以上，Si粉的純度為99.9wt.%以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的冷等靜壓成型的壓力為100 200MPa，冷等靜壓成型的時(shí)間為10 30分鐘，所述冷等靜壓坯料的相對(duì)致密度為67% 75%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述冷等靜壓坯料裝入鋼模具中進(jìn)行真空熱壓致密化處理，所述的真空熱壓致密化溫度為575°C 600°C，熱壓壓力為75 120MPa，保溫保壓時(shí)間為3小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的保溫保壓過程中，保持真空度不高于2X 10_2Pa。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-S1-Al混雜復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的機(jī)械加工為車、銑、鉆、磨和電火花切割中的任意一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料及其制備方法，材料的重量百分比組成為AlN10wt.％～25wt.％，Si40wt.％～45wt.％，Al30wt.％～50wt.％，其中，AlN和Si作為增強(qiáng)材料以顆粒形式彌散分布在連續(xù)的鋁基體中，形成AlN顆粒和Si顆粒混雜增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，采用粉末冶金制備工藝制備。本發(fā)明所得的鋁基復(fù)合材料具有低熱膨脹和高強(qiáng)度，復(fù)合材料微觀組織均勻、完全致密且具有良好的機(jī)加工工藝性能；AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料有望成為高硅含量Si/Al和高SiC含量SiC/Al封裝材料的替代材料。
文檔編號(hào)C22C1/05GK103160716SQ20111042755
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者劉彥強(qiáng), 魏少華, 樊建中, 馬自力, 左濤 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院