专利名称：低热膨胀和高强度AlN-Si-Al混杂复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种包含铝、硅和氮化铝的混杂复合材料及其制备方法，特别涉及一种具有低热膨胀和高强度的AlN-S1-Al混杂复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术：
铝基复合材料具有比强度高、比刚度高、导热率高、热膨胀系数可调等综合性能优势，因而在宇航、微电子和交通领域获得重要应用。铝基复合材料大多采用碳化硅、氧化铝、硅、氮化铝、碳化硼等颗粒或晶须，以及纤维等作为增强材料。其中，硅是一种轻质、低热膨胀、高强度的理想增强材料；硅的密度(2.33g/cm3)比铝合金低14%，它具有极低的膨胀系数(2.6 X KT6IT1)、较高的导热率和弹性模量，与其他几种陶瓷增强材料相比硅具有良好的加工制造工艺性能，因此硅铝复合材料(Si/Al)在最近十几年中得到了极大的重视，最具代表性的是以微电子封装为应用背景的低比重、低膨胀、高导热、高硅含量Si/Al复合材料(硅的体积百分含量为40wt.% 75wt.%)，其加工和制备工艺窗口相对较宽，国外已部分实现工程化应用。然而，目前所制备的Si/Al复合材料的综合性能和制造性能仍然难以满足应用需求。热膨胀系数是Si/Al封装复合材料最关键的性能指标之一，以60Vol% 70vol% Si/Al为例，其热膨胀系数为7.5 10.5 X 10_6ppm/K，但由于材料主要成分为硬脆性硅，以及材料内部不可避免含有缺 陷等因素导致材料的机加工工艺性能较差，难以满足小尺寸、薄壁结构电子封装外壳件的精密制造要求；降低硅含量可以提升复合材料的强韧性，改善机加工特性，但复合材料的热膨胀系数随之升高，无法满足封装件的指标要求。氮化铝(AlN)也是常用的陶瓷增强材料之一，AlN具有高导热、高模量、低膨胀等优势。AlN作为增强材料，其增强增韧和降低铝基材料热膨胀的效果均比Si好，但AlN属于共价键化合物，粉末烧结性能差，与金属铝不润湿，制备高AlN含量的A1N/A1复合材料的难度较大。采用AlN和Si混杂增强的Al基复合材料的热膨胀系数应当低于采用单一 Si增强的Al基复合材料，而AlN-S1-Al的密度仅为2.55 2.7g/cm3,明显低于已经获得应用的55% 70% SiC/Al电子封装复合材料；该复合材料的制备和加工工艺性比A1N/A1和SiC/Al良好。制备AlN-S1-Al混杂复合材料是实现先进电子封装材料低比重、低热膨胀和高强度综合性能的新途径之一。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低热膨胀和高强度的AlN-S1-Al混杂复合材料，该材料高度致密、组织均匀。本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的:一种低热膨胀和高强度的AlN-S1-Al混杂复合材料，其重量百分比组成为:A1N:IOwt.% 25wt.%, Si:40wt.% 45wt.%, Al:30wt.% 50wt.%，其中，AlN 和 Si 作为增强材料以颗粒形式均匀弥散分布在连续的铝基体中，形成AlN颗粒和Si颗粒混杂增强的铝基复合材料。可采用粉末冶金工艺制备，所制得的复合材料具有均匀的微观组织且完全致密。为了实现复合材料较低的热膨胀系数，AlN和Si增强颗粒的重量百分比之和在50wt.0A 70wt.%之间选择；为了保持复合材料良好的机加工性能，AlN的含量不超过30wt.% ο为了选择合理的增强颗粒尺寸来满足复合材料的高强度要求，优选Si颗粒与AlN的颗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颗粒填充到大尺寸的Si颗粒间隙，使得在颗粒总含量确定的情况下，最大程度提高颗粒分散均匀性；优选AlN颗粒平均尺寸在3 μ m 20 μ m之间选择,Si颗粒平均尺寸在5μηι 50μηι之间选择。在AlN颗粒和Si颗粒的总含量超过50wt.%的情况下，在AlN-S1-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度优选不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒径在
3μ m 20 μ m之间选择。本发明的另一目的在于提供一种制备工艺，采用这种工艺制备的AlN-S1-Al复合材料具有低热膨胀系数、高强度；所制得的复合材料机加工工艺性能良好，可采用常规机加工手段加工成含有薄壁、小孔等结构的微电子封装件。低热膨胀和高强度的AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，是以粉末冶金制备工艺为基础，通过选择合适的AlN和Si增强颗粒的含量，选择合理的粉末颗粒尺寸配比，控制粉末固结和致密化工艺制备出所述的低热膨胀、高强度AlN-S1-Al混杂复合材料坯锭，具体实施步骤如下。一种低热膨胀和高强度的AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，采用粉末冶金制备工艺，包括如下步骤:
(I)将Al粉、AlN粉和Si粉按照占上述三种总的混合粉末的质量分数分别为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)将所得混合粉末进行冷等静压成型制成冷等静压坯料；(3)将冷等静压坯料进行真空热压致密化处理，得到完全致密的AlN-S1-Al混杂复合材料坯锭；(4)将真空热压致密化的复合材料坯锭经常规机械加工形成电子封装部件。在上述步骤(I)中，为了实现复合材料较低的热膨胀系数，满足电子封装的低膨胀要求(电子封装外壳材料的热膨胀系数一般在6.0 13.0ppm/K)，增强颗粒的重量百分比在50wt.% 70wt.%之间选择，即优选AlN和Si增强颗粒的重量百分比之和在50wt.% 70wt.%之间。在上述步骤(I)中，为了选择合理的增强颗粒尺寸来满足复合材料的高强度要求，优选Si颗粒与AlN的颗粒尺寸之比大于或接近2,例如大于等于1.75, AlN粉的平均粒径(颗粒平均尺寸)为3 μ m 20 μ m，Si粉的平均粒径为5 μ m 50 μ m。在上述步骤⑴中，Al粉与Si粉和AlN粉的粒度比必须恰当选择，使得AlN粉颗粒和Si粉颗粒可以近似以单分散的形式均匀分布于纯铝粉中，避免存在AlN粉颗粒或Si粉颗粒的团聚。该粒度比的选择依据是:由于AlN颗粒和Si颗粒的总含量超过50wt.%,在AlN-S1-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度必须不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒径在3 μ m 20 μ m之间选择。在上述步骤(I)中，优选地，Al粉的纯度为99.8wt.%以上，Si粉的纯度为99.9wt.% 以上。在上述步骤(2)中，所述的冷等静压成型的压力100 200MPa，冷等静压成型的时间为10 30分钟，冷等静压成型得到的冷等静压坯料(冷压坯)相对致密度为67% 75% (相对致密度为实际密度与理论密度之比值)。可以选择将混合粉末封装于胶皮包套中进行冷等静压成型。在上述步骤(3)中，将冷等静压坯料装入钢模具中进行真空热压致密化处理。在上述步骤(3)中，将冷等静压成型的坯料进行真空热压致密化，致密化温度的选择对于AlN-S1-Al混杂复合材料的完全致密化至关重要。为了形成Al-Si和Al-AlN冶金界面，必须在所用的Al-Si合金液相线之上选择恰当的温度，使纯Al粉和Si粉相互接触的原始颗粒界面产生少量合金液相，液相对原始粉末颗粒间隙进行充分填充，形成完全致密的复合材料坯锭。所述的真空热压·致密化处理是将冷等静压坯料在选定的温度和压力进行保温保压处理；所述的真空热压致密化温度在575°C 600°C范围内选择，热压压力为75 120MPa，保温保压时间为3小时。在上述步骤(3)中，所述的真空热压致密化的保温保压过程中热压炉内须保持真空度不高于2X 10_2Pa，以完全去除粉末颗粒间隙的残留气体。在上述的步骤⑷中，所使用的机械加工为常规的车、铣、钻、磨和电火花切割中的任意一种或几种。本发明具有以下优点:(I)采用高模量、高硬度、低热膨胀的AlN颗粒和硬度适中、低比重、低热膨胀的Si颗粒作为增强材料，所制备的AlN-S1-Al混杂增强复合材料具有低热膨胀、高强度和良好的机加工工艺性能。(2)采用粉末冶金工艺，可在整个成分范围内准确控制Si和AlN的含量，精确调控复合材料的热膨胀系数。(3)通过选用细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，从根本上避免颗粒团聚发生。(4)由于AlN属于共价键化合物，其粉末难以进行低温烧结致密，因此在存在部分Si粉的情况下，选择适当的高温致密化工艺，恰当利用Al-Si共晶反应特点，促进形成Al-Si和Al-AlN的冶金结合界面，促进Si颗粒和AlN颗粒重排，制成完全致密的复合材料坯锭。(5)本发明所实现的工艺不同于铸造法、液相浸渗法或原位法，可以通过简单的粉末粒度控制制备出具有不同尺寸微观组织的AlN-S1-Al混杂复合材料。本发明的AlN-S1-Al混杂复合材料有望成为高硅含量Si/Al和高SiC含量SiC/Al封装材料的替代材料。本发明中用来制备AlN-S1-Al混杂复合材料的粉末冶金法为固相工艺，具有很强的可设计性，具备实现工程化生产和批量应用的潜力，是研制电子封装用、高性能、组织性能稳定的AlN-S1-Al混杂复合材料以及其他类型高颗粒含量铝基复合材料最具竞争力的工艺之一。
本发明针对具有广阔应用前景的电子封装用铝基复合材料，提供了一种AlN颗粒和Si颗粒混杂增强、具有低热膨胀(20°C 100°C的热膨胀系数为7.0 10.5ppm/K)和高强度(抗弯强度为395MPa 450MPa)的铝基复合材料及其制备方法。在本发明的低热膨胀、高强度AlN-S1-Al混杂复合材料中，AlN和Si作为增强材料均以颗粒形式均匀分布在连续的铝基体中，形成AlN颗粒和Si颗粒混杂增强的铝基复合材料。复合材料微观组织均匀、完全致密且具有良好的机加工工艺性能。下面通过具体实施方式
和附图对本发明做进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。
图1为IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al混合粉末扫描电镜照片。图2为25wt.% AlN-45wt.% S1-Al混合粉末扫描电镜照片。
具体实施例方式实施例1本实施例所制备的混杂复合材料为IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al，即AlN的含量为IOwt.%, Si的含量为40wt.% Si, Al含量为50wt.%。其制备方法采用如下技术方案:将纯Al粉、AlN粉和Si粉按照三种粉末的质量比5: I: 4，在锥形混料罐中均匀混合制成AlN-S1-Al混合粉末，混合粉末的颗粒分散特征见图1所示，以使AlN的质量分数为IOwt.Si的质量分数为40wt.采用Φ 5mm不锈钢球作为混粉介质,球料比为1:1,混粉时间为14小时；所述的纯Al粉、AlN粉和Si粉的平均粒径(d0.5，即超过50wt.%的粉末粒径小于此尺寸)分别为8.5μπι、9μπι、15μπι ;将混合粉末装入尺寸为Φ 90mm X 260mm的胶皮包套中冷等静压成 型，压力为200MPa，保压20分钟，冷压坯锭相对致密度为74%;将冷等静压成型的坯料装入内腔尺寸为Φ75_Χ220_的钢模具中进行真空热压致密化，得到完全致密的复合材料坯锭；真空热压温度为575°C，压力为75MPa，保温保压3小时，保温期间保持炉内真空度在5X 10_3Pa 2X 10_2Pa之间。热压坯锭的密度超过理论密度，经简单机加工后得到外形尺寸为Φ 70mmX 160mm、表面光洁的坯锭。真空热压致密化后IOwt.% AlN-40wt.% S1-Al的实测密度为2.60.g/cm3,室温三点弯曲强度和抗拉强度分别为450MPa和280MPa，20°C 100°C的热膨胀系数为10.5ppm/K。实施例2本实施例所制备的混杂复合材料为25wt.% AlN-45wt.% S1-Al,即AlN的含量为25wt.%, Si的含量为45wt.% Si, Al含量为30wt.%。其制备方法采用如下技术方案:将纯Al粉、AlN粉和Si粉按照三种粉末的质量比1.2: I: 1.8，在锥形混料罐中均匀混合制成AlN-S1-Al混合粉末(混合粉末的颗粒分散特征见图2所示)，以使AlN的质量分数为25wt.%, Si的质量分数为45wt.% ,采用Φ 5mm不锈钢球作为混粉介质,球料比为1: 1，混粉时间为20小时；所述的纯Al粉、AlN粉和Si粉的平均粒径分别为3 μ m、
4.5 μ m、9 μ m ;将混合粉末装入尺寸为Φ84ι πιΧ 260mm的胶皮包套中冷等静压成型，压力为200MPa，保压20分钟，冷等静压坯料的相对致密度为69% ;将冷等静压成型的坯料装入内腔尺寸为Φ75πιπιΧ220mm的钢模具中进行真空热压致密化，得到完全致密的复合材料坯锭；真空热压温度为600°C，压力为120MPa，保温保压3小时，保温期间保持炉内真空度在5 X 10 2X 10_2Pa之间。热压坯锭的密度超过理论密度，经简单机加工后得到外形尺寸为Φ 70mmX 150mm、表面光洁的还锭。真空热压致密化后25wt.% AlN-45wt.% S1-Al的实测密度为2.65.g/cm3,室温三点弯曲强度和抗拉强度分别为395MPa和225MPa，20°C 100°C的热膨胀系数为7.0ppm/K。本发明中可选择采用平均粒径为3 μ m 20 μ m的Al粉和AlN粉，平均粒径为5μπι 50μπι的Si粉。Al粉的纯度可选择99.8wt.%以上，Si粉的纯度99.9wt.%以上。通过本发明方法制备的AlN-S1-Al混杂复合材料，20°C 100°C的热膨胀系数为7.0
10.5ppm/K，抗弯强度为 395MPa 450MPa，具有低热膨胀和高强度的特点。
权利要求
1.一种低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料，其特征在于，其重量百分比组成为:A1N: IOwt.% 25wt.%, Si:40wt.% 45wt.%, Al:30wt.% 50wt.%，其中，AlN 和Si作为增强材料以颗粒形式弥散分布在连续的铝基体中，形成AlN颗粒和Si颗粒混杂增强的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料，其特征在于:所述AlN和Si的重量百分比之和为50wt.% 70wt.V0o
3.根据权利要求2所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料，其特征在于:所述AlN的颗粒平均尺寸为3 μ m 20 μ m，Si的颗粒平均尺寸为5 μ m 50 μ m，且Si与AlN的颗粒平均尺寸之比大于或等于1.75。
4.根据权利要求3所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料，其特征在于:所述Al的颗粒平均尺寸为3 μ m 20 μ m，且Al的颗粒平均尺寸不大于Si或AlN的颗粒平均尺寸。
5.权利要求1-4中任一项所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，包括如下步骤: (1)将Al粉、AlN粉和Si粉按照重量百分比配料并均匀混合制成AlN-S1-Al混合粉末； (2)将所得混合粉末进行冷等静压成型制成冷等静压坯料； (3)将冷等静压坯料进行真空热压致密化处理，得到完全致密的AlN-S1-Al混杂复合材料坯锭； (4)将真空热 压致密化的复合材料坯锭经机械加工形成电子封装部件。
6.根据权利要求5所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，其特征在于:所述Al粉的纯度为99.8wt.%以上，Si粉的纯度为99.9wt.%以上。
7.根据权利要求5所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，其特征在于:所述的冷等静压成型的压力为100 200MPa，冷等静压成型的时间为10 30分钟，所述冷等静压坯料的相对致密度为67% 75%。
8.根据权利要求5所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，其特征在于:所述冷等静压坯料装入钢模具中进行真空热压致密化处理，所述的真空热压致密化温度为575°C 600°C，热压压力为75 120MPa，保温保压时间为3小时。
9.根据权利要求8所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，其特征在于:所述的保温保压过程中，保持真空度不高于2X 10_2Pa。
10.根据权利要求5所述的低热膨胀和高强度AlN-S1-Al混杂复合材料的制备方法，其特征在于:所述的机械加工为车、铣、钻、磨和电火花切割中的任意一种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种低热膨胀和高强度的AlN-Si-Al混杂复合材料及其制备方法，材料的重量百分比组成为AlN10wt.％～25wt.％，Si40wt.％～45wt.％，Al30wt.％～50wt.％，其中，AlN和Si作为增强材料以颗粒形式弥散分布在连续的铝基体中，形成AlN颗粒和Si颗粒混杂增强的铝基复合材料，采用粉末冶金制备工艺制备。本发明所得的铝基复合材料具有低热膨胀和高强度，复合材料微观组织均匀、完全致密且具有良好的机加工工艺性能；AlN-Si-Al混杂复合材料有望成为高硅含量Si/Al和高SiC含量SiC/Al封装材料的替代材料。
文档编号C22C1/05GK103160716SQ20111042755
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者刘彦强, 魏少华, 樊建中, 马自力, 左涛 申请人:北京有色金属研究总院