喷射成形60Si-40Al合金电子封装材料致密化的研究

摘要

60Si-40Al合金是一种新型轻质、具有高热传导率及低热膨胀系数的合金材料。粉末冶金和搅拌熔铸法是制备高合金化材料的常规工艺,用粉末冶金法制备的材料硅分布均匀,不易出现偏析,但工艺繁杂,且加入硅含量有限(低于50％);铸造法生产成本低,但应用这种方法来生产高硅铝材料时,粗大的初生硅一直是制约该合金应用的一大因素。研究表明采用喷射成形技术制备硅铝合金材料则可得到均匀和非平衡的快速凝固组织、优异且各向同性的力学性能,含硅量高达80wt％,工艺简单、成本低、成型较容易,是一种具有开发潜力的制备高硅铝合金的工艺。所以本实验利用喷射成形技术制备60Si-40Al合金。但喷射成形制备的硅铝合金孔隙率较高,为了实现组织致密化和进一步高其力学性能,一般需进行热加工。通过热变形,能使增强体颗粒在基体中分布更均匀,提高材料致密度,同时细化晶粒,材料强度也会得到一定程度的改善。本试验是采用塑性较好的材料纯铝做包套挤压60Si-40Al硅铝合金,即包套热挤压,可以使合金的受力相对均匀,防止开裂,既节约了成本,又达到了致密化的目的。 本文以60Si-40Al为研究对象,通过数值模拟来研究喷射成形的液滴运动和传热过程,建立了喷射成形过程中金属液滴运动和传热的数学模型。利用该模型计算了喷射成形过程中雾化气体的速度、液滴速度、液滴温度、液滴的固相率等过程参量的变化过程。并采用优化的工艺参数制备了60Si-40Al合金,结果表明,沉积态合金显微组织细小,初生硅相为不规则的块状且均匀弥散分布,初生硅相之间主要是过饱和a(Al)相和铝硅伪共晶相。 本文重点研究了合金的微观组织与力学行为,讨论了后续热挤压对喷射沉积合金微观组织和力学性能的影响。从沉积态与挤压态的组织对比上看,由于受到挤压破碎的作用,热挤压后组织非但没有粗化,反而更加细小,初晶硅相尺寸平均30um下降到10um左右。 研究了挤压温度对60Si-40Al合金显微组织和力学性能的影响,确定了最佳的挤压温度。研究结果表明：挤压温度为520℃时60Si-40Al材料的致密度最高,可以达到99.04％；抗拉强度为164MPa,维氏硬度为150,断口分析显示,包套热挤压60Si-40Al合金的断裂方式以穿晶断裂为主。 在挤压温度为520℃不变时,研究了保温时间对60Si-40Al合金显微组织和力学性能的影响。随着保温时间的延长,合金的致密度、强度、硬度都呈上升的趋势。但是保温时间过长(90min),合金过分软化,伪共晶相在挤压过程中溢出,硅相发生偏聚,导致力学性能急剧下降。热挤压后合金具有与砷化稼和硅等半导体材料相匹配的热膨胀系数、低密度,完全可以满足我国微电子行业,尤其是航空航天领域对高性能、低成本封装材料的需求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1喷射成形技术简介

1.1.1喷射成形技术的原理

1.1.2喷射成形技术的优势与不足

1.1.3喷射成形技术的研究概况及发展趋势

1.2喷射成形高硅铝合金的致密化工艺

1.2.1热等静压

1.2.2热挤压

1.3电子封装材料概述

1.3.1电子封装材料的发展概况

1.3.2电子封装材料的最新进展

1.3.3硅铝电子封装材料

1.4本文的研究目和意义

1.5研究内容

第二章实验方法

2.1喷射成形实验设备

2.1.1金属熔化系统

2.1.2雾化系统

2.1.3接收器

2.2硅铝合金的化学成分

2.3喷射沉积过程的工艺参数

2.4喷射沉积材料的后续致密化工艺

2.5喷射沉积硅铝合金的微观组织分析和力学性能的测试

2.5.1金相试验

2.5.2 SEM试验

2.5.3维氏硬度测定

2.5.4拉伸试验

2.6喷射沉积材料的密度测定方法

2.7喷射沉积材料的热膨胀系数的测定方法

第三章喷射成形过程的分析和模拟

3.1液滴在飞行过程中的冷却

3.1.1合金成分的选择

3.1.2熔体的过热温度

3.2数学模型

3.2.1气体的运动及传热模型

3.2.2金属质量流率

3.2.3气体质量流率

3.2.4颗粒的尺寸模型

3.2.5液滴的运动模型

3.2.6液滴的传热和凝固模型

3.2模拟结果及讨论

3.2.1雾化气体的速度

3.2.2液滴的尺寸分布

3.2.3液滴的运动规律

3.2.4液滴的凝固率随飞行距离的关系

3.3喷射成形60Si-40Al合金的组织

3.3.1不同高度处喷射成形锭坯的组织特征

3.3.2不同径向位置处喷射成形锭坯的组织特征

3.4本章小结

第四章挤压温度对喷射成形60Si-40Al合金组织及性能的影响

4.1挤压工艺

4.2显微组织随挤压温度变化的规律

4.3致密度

4.4热膨胀系数

4.5机械性能

4.5.1力学性能

4.5.2断口分析

4.6结论

第五章保温时间对喷射成形60Si-40Al合金组织及性能的影响

5.1挤压工艺

5.2显微组织随保温时间变化的规律

5.3密度分析

5.3热膨胀系数分析

5.4力学性能分析

5.5断口分析

5.6结论

全文结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢