一種高硅鋁合金的制備方法與流程

本發明涉及鋁合金領域，確切地說是一種高硅鋁合金的制備方法。

背景技術：

隨著微電子技術的核心集成電路技術的迅猛發展，集成度迅猛增加，通過的電流越來越大，導致芯片發熱迅速上升，嚴重影響芯片工作的可靠性及使用壽命。高硅鋁合金作為一種新型的輕質電子封裝材料，不僅具有質量輕、熱傳導性優良、熱膨脹系數低，能很好地適應芯片的熱管理要求。與鋁碳化硅等其它同類材料相比，高硅鋁合金具有更佳的可焊性和易加工形，具有廣闊的應用前景。

目前制備高硅鋁合金的制備方法主要是噴射沉積+熱等靜壓、壓力熔滲、粉末冶金液相/熱壓燒結法、粉末預成形坯固相熱擠壓等。噴射沉積+熱等靜壓是國內外獲得高致密度高硅鋁合金的主要方法，該方法能獲得晶粒細小、均勻，且硅顆粒無尖銳棱角的理想顯微結構，但噴射沉積工藝參數難以控制。粉末預成形坯固相熱擠壓也能獲得晶粒細小、均勻，且硅顆粒無尖銳棱角的理想顯微結構。上述兩種技術方案在致密化的過程中都需要單位平方厘米數噸的壓力，對加壓裝備和配套模具提出了極高的要求，同時都面臨硅含量及材料尺寸增大帶來的熱致密化越發困難的瓶頸。與鋁碳化硅封裝材料相比，高硅鋁合金最明顯不足是強度低，而且脆性更大，這就導致該材料在硅含量達到70%左右及更高時機械加工易蹦邊掉角，導致廢品率高。采用壓力熔滲和粉末冶金法制備高硅鋁合金時一般采用粗、細硅顆粒搭配來提高硅的堆積密度，制備出的高硅鋁合金內部的粗硅顆粒都具有較尖銳的棱角，可加工性明顯低于噴射沉積工藝所獲得的高硅鋁合金。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述工藝各自的優缺點，提出一種糅合壓力浸滲和粉末冶金兩種工藝的優點，在真空條件下液-固（液態鋁硅合金液滴-固態硅粉混合體）雙相等溫熱擠壓方案。與噴射沉積+熱等靜壓和粉末預成形坯固相熱擠壓技術相比，本發明提供的技術方法所熱致密化壓力僅為其1/100～1/10，而且工藝流程短，制造成本更低。

為實現本發明所述的目的，采取如下技術方案：

一種高硅鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）將硅粉和鋁粉、或鋁硅合金粉，按硅重量含量不低于30%的計量比混合均勻后裝入密封的石墨或合金模具中，施以5～10MPa的軸向壓力預壓緊；

（2）然后將裝置放進底部帶水冷裝置的真空熱壓爐中升溫至580～900℃，爐內真空度保持在10～100Pa；待模具內外溫度均勻后施加不大于10 MPa的軸向壓力并保壓10～30分鐘，然后以1～10℃/分鐘的速度降溫；

（3）在降溫過程中水冷裝置持續通水從底部加快冷卻模具；

（4）待爐溫降至可操作溫度即可得到高致密度、組織均勻、硅粒子尺寸在100微米以下、性能優良的高硅鋁塊體合金。

所述的一種高硅鋁合金的制備方法，其特征在于，按以下步驟操作：

步驟一、粉末的準備。按硅含量30～70%的配比稱取硅粉和鋁粉、或者鋁硅合金粉，進行混料；

步驟二、模具的準備。在陰模內壁及上、下模沖施壓端面噴涂或涂敷含氮化硼的阻隔劑；

步驟三、粉體裝模。將陰模立式放置后裝入下模沖，然后放置柔性石墨紙壓實，再將混勻的粉末陰模模腔；接著放入柔性石墨紙，并將上模沖從上端壓入陰模內，最后沿軸向方向壓緊上、下模沖；

步驟四、液態鋁合金-固態硅顆粒雙相熱擠壓。將預壓緊的模具，包括陰模、上下模沖及陰模內裝載的粉體，一同放入底部帶水冷裝置的真空熱壓爐中升溫至580～900℃，爐內真空度保持在10～100Pa，待模具內外溫度均勻后以緩慢施加不大于10 MPa的軸向壓力并保壓10～30分鐘；

步驟五、冷卻與取樣。保壓結束后，真空爐底部水冷裝置立即持續通入冷卻水，從擠壓模具下端面加快冷卻模具，在通入冷卻水的同時控制爐溫以1～10℃/分鐘的速度降溫，在降溫過程中維持擠壓壓力穩定；待溫度降至570℃以下，卸去壓力并停止加熱，進一步冷卻至可操作溫度，樣品連同模具一同出爐，脫模后去除上方含縮孔的疏松區即可得到致密的高硅鋁合金塊體。

所述的高硅鋁合金的制備方法，其特征在于，在所述的步驟一中，所采用的硅粉、鋁粉或鋁硅合金粉的粒徑不大于20微米。

所述的高硅鋁合金的制備方法，其特征在于，在所述的步驟四中，各硅含量區間的混合粉對應的熱擠壓溫度和壓力分別為：硅含量30～55%為580～700℃和0.1～4MPa，硅含量55～65%為650～800℃和1～8MPa，硅含量大于65%為700～900℃和2～10MPa。

在所述的步驟一中，原料粉優先純度高的硅粉、鋁粉或鋁硅合金粉，以有利于提高材料的熱導率。無論采用哪種配料方案，各種粉末粒度最大粒徑要控制在20微米以下。混料方式可采用干混，也可先添加有乙醇、丙酮等有機溶劑濕混。

在所述的步驟二中，模具材料可選用合金或石墨材質，優選石墨材質；所述含氮化硼的阻隔劑可自行配制，也可直接采購市售用于壓鑄鋁合金和熱擠壓鋁合金的各種耐高溫脫模潤滑劑成品。

在所述的步驟三中，在模具內粉體與上、下模沖間放置的柔性石墨紙起密封作用，可以采用單層或多層石墨紙，也可采用其它耐高溫、起到有效密封的柔性材料或粉體材料。

在所述的步驟四中，等熱擠壓溫度隨著硅含量的增加而增加，同一硅含量的原料粉，隨著擠壓溫度的升高合金中硅顆粒度或晶粒度會增大，優選熱擠壓溫度如下：各硅含量區間的混合粉對應的熱擠壓溫度和壓力分別為：硅含量30～55%為580～700℃和0.1～4MPa，硅含量55～65%為650～800℃和1～8MPa，硅含量大于65%為700～900℃和2～10MPa。本發明提供的技術方案所使用的擠壓溫度都低于混合粉的名義成分對應鋁硅合金液-固轉變相線溫度，也就是在擠壓溫度下隨著保溫時間的延長，即便混合粉中鋁元素全部熔化、乃至形成眾多彌散分布的鋁-硅二元飽和溶液熔滴，整個擠壓對象都還是液（鋁合金）-固（硅顆粒）兩相共存的。此時，施加10Mpa以下的壓力，可以將這些熔滴擠入各自鄰近區域的固體硅顆粒中，所需壓力僅為全固態熱致密的1/100～1/10。隨著硅含量的增加，盡管熱擠壓溫度在提高，但液-固兩相混合體中固體硅顆粒含量還在不斷增加，所需的熱擠壓力需要隨之增大。另一方面壓力過大會導致擠壓對象中固體硅顆粒聚合長大，對合金的最終性能不利。

在所述的步驟五中，要控制好樣品底部水冷速度與整個真空爐降溫速度的匹配，要保證樣品底部水冷速度快于整個真空爐降溫速度，使樣品高度方向形成溫度梯度。在鋁硅共晶點溫度附近冷卻速度要慢，即590～560℃之間降溫速度優選控制在1～2℃/分。

本發明的原理為：

以細硅、鋁或鋁硅合金粉的混合粉為原料，在鋁硅共晶溫度與混合粉對應的鋁硅名義成分固相線溫度之間短暫保溫后，施加與壓力浸滲相近壓力（壓力不大于10 MPa），將混合粉內彌散分布的液態小鋁熔滴，連同其溶解的硅，緩慢擠壓到鄰近的固體硅顆粒間隙，制備出高硅鋁合金。本發明所提供的高硅鋁合金制備方法具有工藝流程短，無需高壓裝備和耐高溫高壓的配套模具，具有更低的制造成本，而且其顯微結構與噴射沉積+熱等靜壓所獲得的組織類似，即硅晶粒細小、分布均勻，且無尖銳棱角，以利于機械加工。

本發明有以下優點：

1、本發明所述的工藝流程短，經過混料即可進行液-固雙相熱擠壓，也可采用與最終成分一致的高硅鋁合金粉直接液-固雙相熱擠壓；

2、液-固雙相熱擠壓所需壓力僅為常規固態熱致密化的1/100～1/10，對裝備和模具要求不高，容易獲得大尺寸的高硅鋁合金；

3、本發明所獲得的高硅鋁合金中硅相沒有明顯的直邊和尖銳的棱角，有利于提高材料的韌性和可加工性；

4、本發明得到的高硅鋁合金具有良好的性能：密度為2.4～2.6g·cm^-3，抗彎強度110～230MPa，室溫熱導率110～170w﹒m^-1·℃^-1，熱膨脹系數7～17×10^-6℃^-1。

附圖說明

圖1為10微米硅粉和20微米鋁粉在650℃、1MPa熱擠壓條件下獲得的尺寸為Φ62mm×18mm的50Si50Al樣品；

圖2為圖1所述50Si50Al樣品的顯微組織圖；

圖3為20微米硅粉和10微米鋁粉在800℃、6MPa熱擠壓條件下獲得的70Si30Al合金顯微組織圖。

具體實施方式

實施實例1

1、粉末的準備。按硅重量含量為50%的配比稱取100克10微米的硅粉和100克20微米的鋁粉，用小型滾筒式混料機干混4小時；

2、模具的準備。在Φ62mm的圓筒形陰模內壁及上、下模沖施壓端面噴涂市售佳丹牌JD-3028氮化硼離型劑，并烘干。

3、粉體裝模。將陰模立式放置在水平操作臺上，裝入下模沖，然后放置多層柔性石墨紙壓實；從步驟1所獲取的混合料中稱取取100克粉料緩緩倒入陰模模腔；接著放入柔性石墨紙，并將上模沖從陰模上端輕壓入陰模內，最后在小型手動液壓機上沿軸向方向施加8Mpa的壓力預壓緊上、下模沖。

4、液態鋁合金-固態硅顆粒雙相熱擠壓。將步驟三預壓緊的模具，包括陰模、上下模沖及陰模內裝載的粉體，一同放入底部帶水冷裝置的真空熱壓爐中升溫至650℃，內真空度保持在10～20Pa之間。保溫30分鐘使模具內外溫度均勻后緩慢施加軸向壓力，當壓力達到1 MPa開始保壓，保壓時間為30分鐘。

5、冷卻與取樣。保壓結束，真空爐底部水冷裝置立即持續通入冷卻水。在通入冷卻水的同時控制爐溫以5℃/分鐘的速度降溫冷至590℃，然后以1℃/分的降溫速度冷至560℃。卸去壓力，停止加熱并繼續通入冷卻水，待爐溫降至100℃以下，開爐取樣。在小型手動液壓機上脫模后，去除樣品上方4mm厚度的縮孔層即得到高致密的高硅鋁合金塊體。

所得樣品實物如圖1所示，其顯微組織如圖2所示，實測性能如下：密度為2.49g·cm^-3，抗彎強度150～180MPa，室溫熱擴散系數0.72cm²·s^-1，熱導率146W·m^-1·℃^-1，室溫至200℃平均熱膨脹系數11～12×10^-6℃^-1。

實施實例2

1、粉末的準備。按硅重量含量為50%的配比稱取140克20微米的硅粉和60克10微米的鋁粉，用小型滾筒式混料機干混4小時；

2、模具的準備。在Φ62mm的圓筒形陰模內壁及上、下模沖施壓端面噴涂市售佳丹牌JD-3028氮化硼離型劑，并烘干。

3、粉體裝模。將陰模立式放置在水平操作臺上，裝入下模沖，然后放置多層柔性石墨紙壓實；從步驟1所獲取的混合料中稱取取100克粉料緩緩倒入陰模模腔；接著放入柔性石墨紙，并將上模沖從陰模上端輕壓入陰模內，最后在小型手動液壓機上沿軸向方向施加6Mpa的壓力預壓緊上、下模沖。

4、液態鋁合金-固態硅顆粒雙相熱擠壓。將步驟三預壓緊的模具，包括陰模、上下模沖及陰模內裝載的粉體，一同放入底部帶水冷裝置的真空熱壓爐中升溫至850℃，爐內真空度保持在10～20Pa之間。保溫30分鐘使模具內外溫度均勻后緩慢施加軸向壓力，當壓力達到6 MPa開始保壓，保壓時間為30分鐘。

5、冷卻與取樣。保壓結束，真空爐底部水冷裝置立即持續通入冷卻水。在通入冷卻水的同時控制爐溫以5℃/分鐘的速度降溫冷至590℃，然后以1℃/分的降溫速度冷至560℃。卸去壓力，停止加熱并繼續通入冷卻水，待爐溫降至100℃以下，開爐取樣。在小型手動液壓機上脫模后，去除樣品上方6mm厚度的縮孔層即得到高致密的高硅鋁合金塊體。

所得樣品的顯微組織如圖3所示，實測性能如下：密度為2.392g·cm^-3，抗彎強度110～132MPa，室溫熱擴散系數0.68cm²﹒s^-1，熱導率124W·m^-1·℃^-1，室溫至200℃平均熱膨脹系數7.5～8.5×10^-6℃^-1。