第33卷第5期V ol 33 No 5
稀有⾦属
CH I NE SE J OURNAL OF RARE M ETALS
2009年10⽉
O ct 2009
seer2.61收稿⽇期:2009-03-19；修订⽇期:2009-04-20三维可视化
基⾦项⽬：国家⾼技术研究发展计划项⽬(2007AA03Z515)资助
作者简介：刘红伟(1979-)，男，湖南娄底⼈,⼯程师；研究⽅向：先进铝合⾦材料及快速凝固技术*通讯联系⼈(E -m ai:l s p ray@f m ) 市场营销喷射成形70Si 30A l 合⾦的显微组织与性能
刘红伟*莫言 枯河
，朱宝宏，张永安，熊柏青
(北京有⾊⾦属研究总院有⾊⾦属材料制备加⼯国家重点实验室，北京100088) 摘要：利⽤喷射成形技术制备了70S i 30A l 合⾦，研究了合⾦的显微组织演变，检测了合⾦的热膨胀系数和热导率,⽤三点弯曲法测试了合⾦的弯曲强度。结果表明，喷射成形70S i 30A l 合⾦经热压后的组织结构为连接成⽹状的近球形硅相和穿插于其中的⼆次富铝相。合⾦
具有低密度(2.42g c m -3)、⾼弯曲强度(180M Pa)、低热膨胀系数(6.9 10-6/K )、⾼热导率(118W m -1
K -1)，硬度BH =261的特
关键词：喷射成形;70S i 30A l 合⾦；电⼦封装do:i 10.3969/.j issn .0258-7076.2009.05.027
中图分类号:TB333 ⽂献标识码:A ⽂章编号:0258-7076(2009)05-0742-04
现代微电路封装技术的发展对封装材料的性能提出了越来越⾼的要求，传统的电⼦封装技术已不能满⾜飞速发展的先进电路的封装要求[1~8]
。
在封装材料的选择和制备⼯艺上都⾯临着巨⼤的
挑战
俄美关系
[9,10]
。电⼦封装材料起⽀撑和保护半导体芯
⽚和电⼦电路作⽤，以及辅助散失电路⼯作中产⽣热量的作⽤。理想的电⼦封装材料具备以下⼏个特点
[11]
:(1)低的热膨胀系数，能与S,i Ga A s
芯⽚相匹配，以免⼯作时⼆者之间的热膨胀系数的差异所引起的热应⼒⽽导致芯⽚受损;(2)导热性能好，能及时将半导体⼯作时所产⽣的⼤量热量散发出去，保护芯⽚不因温度过⾼⽽失效;(3)⾜够的强度和刚度，良好的机械加⼯性能。对于应⽤于航空航天领域及其他便携式电⼦器件中的封装材料的密度要求尽可能⼩，以减轻器件的重量。
⾼硅铝合⾦材料由于具有密度低、热膨胀系数低、热导率⾼、⾼的强度和刚度、易于精密机加⼯等特点，符合电⼦封装技术朝⼩型化、轻量化、⾼密度组装化⽅向发展的要求
[12]
。粉末冶⾦⼯艺
能制备出性能优良的⾼硅铝合⾦，但是，粉末冶⾦制备技术成本较⾼,⼯艺过程⽐较复杂,⽣产周期较长,⽽且受其本⾝⼯艺的限制，很难制备出硅含量超过50%(质量分数)的硅铝合⾦
[13]
。喷射成形
技术的出现为制备这种S i 含量在50%以上的硅铝合⾦提供了⼀种有效⼿段，其基本原理是采⽤⾼压惰性⽓体将⾦属液流雾化破碎成⼤量细⼩的液滴并使其沿喷嘴轴线⽅向⾼速飞⾏，在这些液滴还未完全凝固前沉积到具有⼀定形状和特定运动的接收基板上并成形
[14,15]
。本⽂利⽤喷射成形技
术制备了硅含量为70%(质量分数)的硅铝合⾦，研究了铸态和沉积热压态的合⾦显微组织对⽐，检测了合⾦的物理和化学性能，为进⼀步的材料研究提供了参考。1 实验
材料的名义成分为70%S i 和30%A l(%，质量分数)，喷射成形实验在北京有⾊⾦属研究总院的SF 200型设备上完成，采⽤氮⽓作为雾化⽓体，雾化温度为1300!，雾化距离为550mm 。在沉积坯锭中取直径 25mm 圆柱，在570!下240MPa 热压4h，然后空冷。合⾦的显微组织在NEOP HOT 2型光学显微镜和C AM BRI DGE 2型扫描电镜上观测，热膨胀系数在For m astor D ig ital 实验机上测量，加热温度为5! m i n -1
，热导率在C 600S 固体热导率测试仪上测量。三点弯曲实验在室温下在5569型通⽤电⼦拉伸仪上完成。硬度在H BV 30型布⽒硬度计上测量。
5期刘红伟等喷射成形70Si30A l合⾦的显微组织与性能743
2 结果与讨论
2.1 显微组织分析图1是合⾦铸态、沉积态、热压态的组织对⽐。从图1(a)可以看出，铸态70Si30A l合⾦是由粗⼤的长条状硅相和层⽚状铝硅共晶相组成。粗⼤的硅颗粒内部在压⼒作⽤下容易萌⽣微裂纹进⽽进⼀步扩展，导致材料失效。从图1(b)可以看出，喷射成形⼯艺制备的70S i30A l合⾦组织细⼩，
初⽣硅相为不规则形状，尺⼨⼤约在10~40 m之间，均匀弥散地分布在铝基体中，在局部⼩区域内初⽣硅相互相连接在⼀起，材料中有⼩尺⼨的疏松和孔洞。图1 (c)显⽰，合⾦经热压后，材料内没有明显的孔洞缺陷，初⽣硅相的边界趋向于圆滑状态，近球形的初晶硅相连成⽹状,⼆次相富铝相穿插于⽹状硅相的间隙中。球状硅相的产⽣是因为喷射成形制备过程中冷却速度较快硅相来不及长成板块状。图2(a)是喷射成形70S i30A l合⾦热压后的扫描电镜照⽚，图2(b)和(c)分别是S i和A l的⾯扫描分布图，由图可以看出，喷射成形70S i30A l合⾦中硅相内部没有铝硅共晶相,⽽是由单独的富铝相组成。合⾦中近球形粗⽣硅相的形成主要是因为喷射成形⼯艺中相对较快的冷却速率改变了硅相的平衡⽣长。另外，雾化液滴⾼速撞击沉积接收盘时，也可以部分破碎⼀些已长成的长条状硅相。球形硅相的产⽣⼤⼤增加了沉积坯锭顶层的成核密度，进⽽在沉积过程中产⽣了铝硅共晶相。
2.2 合⾦的物理性能和化学性能图3为喷射成形70Si30A l合⾦热压致密化后的热膨胀系数。由图可知,70S i30A l合⾦室温下的热膨胀系数为6.910-6/K。在升温初期，随着温度的升⾼，材料的热膨胀系数增⼤；在300!以后，热膨胀系数随着温度的升⾼⽽下降。这是因为在升温初期合⾦的热膨胀系数受A l相影响较⼤，随着温度的继
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续升⾼，合⾦的热膨胀系数受初⽣S i相的影响越来越⼤,⽽Si的热膨胀系数在300!以上随着温度的升⾼⽽下降。
图4为喷射成形70S i30A l合⾦热压致密化后的热导率，由图可知，在50!时70S i30A l合⾦的热导率为118W m-1 K-1)，随着温度的升⾼，材料的热导率下降。典型的半导体芯⽚的最⼤⼯作温度⼀般在100!左右，因此70S i30A l合⾦材料这种相对较⾼的热导率对于及时传导芯⽚所产⽣的热量⾮常有利。
喷射成形70Si30A l合⾦材料的密度为2.42g c m-3,⽐A l 68%S i C复合封装材料的低,⼤约是Cu, K ovar,Invar材料的1/3,⽽它的热导率是Kovar, I nvar材料的9倍、A l2O3的3倍，它的布⽒硬度为261MPa，弯曲强度达到180M Pa，具有⾜够的强度和刚度为电⼦封装元器件提供合适的机械⽀撑。显然，喷射成形70S i30A l合⾦材料具有低密度、低热膨胀系数、⾼热导率的特点，在电⼦封装材料的应⽤领域有很⼤的潜能。
3 结论
1.喷射成形70S i30A l合⾦材料热压后的组织结构为连接成⽹状的近球形硅相和穿插于其中的⼆次富铝相。
2.喷射成形70S i30A l合⾦材料具有低热膨胀系数、⾼的热导率和低密度的特点，还具有⾜够的硬度和弯曲强度，是⼀种理想的电⼦封装材料。
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M icrostructure and Properties of Spray For m ed70Si30A l A lloy
L iu H ong w e i*,Zhu Baohong,Zhang Yongan,X iong Baiq i n g(Sta te K e y Laboratory of Fabrication and P rocessing of N on F errous M etals,General R esearch Institute for N on F errous M etals,B eijing 100088,China)
Abstract:70Si30A l a lloy w as fabricated by the spray ato m izati o n and depositi o n techn i q ue.Th
e m icrostruc ture and properties o f t h e all o y w ere st u died;the coeffi cient of ther m al expansi o n,t h er m al conducti v ity m eas ure m ents,and3 po i n t bending tests were conducted. The results sho wed that the m icrostr uct u re of the all o y after hot pressi n g w as co m posed of a conti n uous net w or k o f globu lar pri m ary phase of S i and i n terpenetra ti n g secondar y phase rich i n A.l The property m easure m ent resu lts i n dicated t h at the spray deposited 70S i30A l a ll o y had the advantage of physical and m e chan ica l characteristics,suc h as lo w coefficient o f ther m al expansion(6.910-6/K),h i g h ther m al conduc ti v ity(118W mK-1),lo w density(2.42g c m-3), high u lti m ate flexural strength(180MPa)and Brine ll
hardness(261).So the spray for m ed70S i30A l a ll o y after densificati o n w as a kind o f excellent electronic packag i n g m ater i a.l
K ey word s:spray depo sited;70S i30A l all oy;electronic package
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