第14卷 第3期
2006年6月
材 料 科 学 与 工 艺
MATER I A LS SC I ENCE &TECHNOLOGY
Vol 114No 13June,2006
杨伏良，甘卫平，陈招科
(中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083,E 2mail:yangflcsu@163 )
摘 要：采用空气雾化水冷与真空包套热挤压工艺相结合的方法，制备了A l -40Si 高硅铝合金，并利用金相显微镜、扫描电镜、万能电子拉伸机、差热分析仪等设备系统测试和分析了该材料的显微组织、力学和热物理性能.研究表明：当原始粉末粒度较粗时，经热挤压后材料的显微组织中硅相粗大，致密度与气密性较低，抗拉强度较小，导热性能和热膨胀系数较大.
关键词：快速凝固；热挤压；高硅铝合金；热膨胀系数；热导率中图分类号:TF112;TG337
文献标识码:A
文章编号:1005-0299(2006)03-0268-04
Effect of parti cle si ze on m i crostructure and property of h i gh 2sili con a lum i n u m a lloy
Y ANG Fu 2liang,G AN W ei 2p ing,CHEN Zhao 2ke
(School of Material Science and Engineering,Central S outh University,Changsha 410083,China,E 2mail: m )
Abstract:I n this paper,A l -40Si was fabricated with a method in which the air 2at om izati on was f oll owed by a vacuu m canning hot 2extrusi on p r ocess .Op tical m icr oscopy,scanning electr on m icr oscopy,universal material testing machine,ther mal analyzer and TR 22ther mal physics testing were used t o study the m icr ostructure and mechanical and ther mal physical p r operties of the all oy .Experi m ental results show that when the original parti 2cle size is coarse,the size of the extruded A l -40Si all oy silicon crystal is large,the tensile strength is l ow,the ther mal conductivity (CT )and ther mal expansi on coefficient (CTE )is high .Key words:rap id s olidificati on;hot extrusi on;high 2silicon
alu m inu m all oy;CTE;CT
收稿日期:2004-07-05.
基金项目：国防科学技术工业委员会资助项目(MKPT -03-151).
作者简介：杨伏良(1962-)，女，副教授，博士研究生.
随着航空航天用微波电路、微电子器件、半导体集成电路向大功率、小型化、轻量化、高密度组装化、低成本、高性能和高可靠性的方向发展，对
基片衬底材料(热沉)、框架、壳体和封装盖板等材料的性能也提出了更高的要求，传统的电子封装材料已越来越难以满足这一领域进一步发展的需要.高硅铝合金电子封装材料的出现，弥补了传统电子封装材料的固有缺陷，随着高硅铝合金制备技术的进步，它作为新型轻质电子封装材料，有着十分诱人的应用前景，代表了新型轻质封装材料的发展方向
[1]
.第9届中国金鹰电视艺术节
目前，国外在这方面的研究已取得很大进展，已有研究者利用喷射沉积技术制备出各种硅含量
的过共晶高硅铝合金[2]
，而国内的研究主要集中
在Si 含量在30%以内的二元[3,4]
或A l -Si -Cu
湖南师范大学学报-Mg 多元合金
[5～7]
上，至今尚未见更高Si 含量
高硅铝合金制备技术的报道.本实验采用快速凝
固/粉末冶金工艺制备了Si 含量为40%(合金熔炼配制成分)的过共晶高硅铝合金，经过筛分将所制备的粉末分成两组，并借助扫描电镜及金相显微镜对粉末的颗粒形貌和不同粒度粉末挤压后的组织结构进行了比较分析；通过测试合金的密度、气密性、导热性、热膨胀系数和力学性能，分析了粉末粒度对 电子封装材料性能的影响.
1 实 验
材料制备工艺流程为雾化制粉粉末过筛真空包套
热挤压
机加工制
样
性能测试.
111 粉末制备
将配制好的A l -40Si 合金在感应炉中加热
熔化、精炼和脱气，金属液柱经漏嘴流入喷雾装置中，被高压空气雾化后的金属液滴直接喷入距离喷嘴约200mm的高压水流中，经冷却后,A l-Si 粉末浆料流经筛网，过滤掉杂物，流入高速旋转的甩干机中进行脱水处理，经烘干、过筛制得各种实验所需粉末.制粉工艺参数见表1，粉末编号及组成见表2(
化学分析成分).
表1 制粉工艺参数
熔化温度/℃熔化给料管
直径/mm
雾化气体
雾化空气
压强/MPa
雾化腔类型
1000315空气016环形孔表2 高硅铝合金粉末的成分及粉末粒径
试样
质量分数/%
Si O A l
粒径/mm
ⅠⅡ36.64
36.64
0.51
0.54
余量
余量
≤0.0765
≤0.1500
112 真空包套热挤压
高硅铝合金粉末由于A l活性很高，在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜，导致致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍，难以形成冶金粘结.因此，需要采用一些特殊的致密化工艺.对于快速凝固高硅铝合金粉末，应用最广泛的致密化技术是粉末热挤压.
快速凝固高硅铝合金粉末热挤压成形时，由于粉末含有大量的初晶硅相，材料的塑性较差，同时由于Si相颗粒硬度高，加剧了模具的磨损，故一般采用塑性较好的材料(如纯铝)做包套封装[8].
两种编号的合金粉末经均匀混合，初装、振实装入特制的纯铝包套内，其密度可达理论密度的70%，经真空除气后，封闭焊合包套.在本实验中，纯铝包套不仅可以起到包装保护合金粉末的作用，还起到固体润滑减少挤压时摩擦阻力的作用.在Y A32-315型300t液压机上挤压，采用正向挤压方式进行挤压.挤压前对样品进行了加热保温，温度为370℃，保温1h.挤压比为16，挤压过程中，均匀涂敷润滑剂以减少锭坯和挤压筒内壁之间的摩擦力.
113 性能检测
将热挤压得到的挤压棒车去包套并机加工成各种规格的检测样品.在KYKY-2800型扫描电镜上对粉末颗粒形貌进行扫描；采用E OPHAT金相显微镜对材料进行了显微组织观察；在电子万能拉伸试验机上进行抗拉强度测试；采用排水法测量材料的密度，所用分析天平最小精度为011mg；在日产HE L I O T306S型He吸附试验机上进行气密性测试；在JR-2热物性测试仪上进行热扩散率测试；在日本理学差
热分析仪上进行了热膨胀系数测试.
2 结果分析与讨论
211 粉末的颗粒形貌
粉末的形貌如图1所示.从图1可以看出，粉末颗粒表面比较粗糙，颗粒呈不规则形状，且大部分呈液滴状长条形和类球形.影响粉末形状的主要因素有喷雾前金属液体的过热度、雾化气体的性质及雾化过程的冷却速度，在其他工艺条件相同的情况下，空气雾化时的冷却速度比其他气体(N
2超级回路
、A r
2
、H
2
)雾化时小，致使液滴在雾化过程中发生了氧化，从而阻碍了它的球化.另外，在采用水冷却时，由于
水具有良好的淬冷效果，较高的冷却速度使液滴来不及充分球化便凝固成粉末，所以粉末的形状大部分为长条形，这是球化不充分造成的.具有这种不规则颗粒形貌的粉末颗粒之间容易咬合，适合于后续压制和致密化成型.另外，从图1
combatfocus
(a)中可知，采用该工艺制备的粉末颗粒平均尺寸比较细小，大部分在2～10μm (≤01075mm)，只有少部分是稍大的颗粒(图中部分较大的为扫描时粉末颗粒分散不充分形成的粉末团).
图1 空气雾化粉末颗粒形貌SE M照片
212 合金的显微组织
图2为Ⅰ、Ⅱ号试样在490℃挤压后的金相照片，可以看出，原始粒末颗粒越细，经热挤压后所得材料的硅相相对要细小一些.这是因为在同一快速凝固制粉工艺条件下，冷却速度与粉末颗粒大小的二次方成反比，对于I号试样，其在喷粉雾化时被充分雾化成更细小液滴，而这些液滴在喷粉水冷凝固时，其冷却速度更快，且具有更大的过冷度，从而导致粉末内部初晶硅形核率增加，细化了初晶硅.由于原始粉末的初晶硅相更细小，导
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第3期杨伏良，等：粉末粒度对高硅铝合金材料组织及性能的影响
致在热挤压后具有更细小的硅相.
图2 A l-40%Si在490℃挤压后的试样金相照片213 抗拉强度
经过490℃下热挤压后,I号合金样的抗拉强度为174MPa,Ⅱ号合金样的抗拉强度为152MPa.I号合金样比Ⅱ号合金样抗拉强度要高一些.结合金相照片分析可知，这主要是由于粉末粒度的增大，导致热挤压后材料的硅相相对大一些.对于含Si量为相同体积分数的高硅铝合金材料，其抗拉强度与Si相平均尺寸成反比，可以说，晶粒的大小对材料的抗拉强度起关键作用，因此，在其他条件相同的情况下，粉末粒度越细，材料的抗拉强度越高.
214 致密性与气密性
高硅铝合金材料理论密度计算公式如下[9],
ρ=(1-f
Si
)ρA l+f SiρSi.
式中:ρ为合金的密度;ρ
A l
、ρ
Si
分别为纯A l和纯Si
的密度(ρ
A l
=21689g/c m3,ρSi=2133g/c m3);f Si 为由平衡相图计算的合金中Si相体积分数.
表3列出了合金材料490℃挤压后的致密度，可以看出,I号样的致密度相对要高一些，且气密性好.这是由于II号样硅相比较粗大，在挤压过程中，变形抗力大，合金流动性差，导致孔隙增加，致密度下降，而高致密度是高气密性的前提，因此，试样I 的致密度高、气密性好.
表3 高硅铝合金密度、致密性及气密性
试样Si的质量
分数/%
颗粒直径
/mm
理论密度
/(g・cm-3)
测量密度
/(g・c m-3)
相对密度
/%
气密性
/10-9(Pa・m3・s-1)
I36164≤0107521552321491297161318 II36164≤0115021552321481797123514
215 导热性能
依据国标G B11108-89，采用闪光法测定试样在常温下的热扩散系数，然后根据热导率、热扩散率、密度、定压比热容之间的关系求得热导率，其公式为[2]
λ=100・α・ρ・C
微型红外摄像机p
.
式中:α为热扩散率(c m2・s-1),ρ为密度
(g・c m-3),C
p
为比定压热容[J・(g・K)-1].
在常温下测得合金(490℃热挤后)的热扩散系
数为α
I
=015072c m2・s-1,αII=015304c m2・s-1.
根据上式可以算出,λ
I
=9918W/m・K,
λ
II云母板
=104W/m・K.
可以看出,λ
II
>λI，即粉末粒度对材料导热性能有影响，粉末粒度粗，其导热系数高，粉末粒度细，其导热性能反而下降.这主要有以下几方面原因.
首先，当粉末粒度比较大时，粉末颗粒内初晶硅相对比较大，经热挤压后，硅相相对大一些，从而相界面减少，其界面热阻的影响也大大减小；当粒度很小时，其界面热阻的影响起主导作用，根据有效介质理论E MT，材料的导热率也较低，这与E MT理论是相符的.
其次，粒径为-01074mm的粉末，相比粒径为-01147mm的粉末，因粉末粒度细，则相同质量的合金粉中所含粉末颗粒的数量增多，粉末之间的接触面增加，使不同相原子之间的扩散更为剧烈，导致形成固溶体的体积分数增加,A l相由于Si原子扩散进来而产生了晶格畸变，从而导致热导性能下降；此外，不同相之间的接触界面越多，界面对电子迁移的阻碍越大，界面畸变引起的热阻越大，也导致材料导热性能下降.
另外，粉末粒度对挤压后材料两相的分布形态即显微组织有明显的影响.如图2所示，粉末粒度越粗,A l相相互接触的就越多，从而形成A l相网络，由于A l相的导热性能非常好，因而形成A l 相网络对提高
材料的导热性能有利.而当粉末粒度较小时,A l相的接触相对减少，从而对材料的导热性能产生不利的影响.
216 热膨胀系数
由实验结果可知，材料经过490℃热挤压后，在100℃时,I号样的线膨胀系数为1016×10-6K-1,Ⅱ号样的线膨胀系数为1018×10-6K-1，即粉末粒度细，其热膨胀系数低，粉末粒度粗，材料热膨胀系数高.
这是由于粉末粒度粗时，一方面A l相形成连续接触的网络，其在受热时容易发生膨胀；另外，由于粉末粒度的增大，使得细小的Si相减少，从而其抑制A l相基体膨胀的作用也相对减少，使材料热膨胀系数有所增加.但是随着粉末粒度的变粗，其材料的孔隙度有所增加，而孔隙的增加会使材
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2
・材 料 科 学 与 工 艺 第14卷
料的热膨胀系数下降.综合粉末粒度增大时所引起的Si相形状、残余应力及界面结合情况的变化，这些因素对材料热膨胀系数也会产生一定的影响，因此，粉末粒度对热膨胀系数的影响比较复杂.本实验结果表明粉末粒度的增大会使材料热膨胀系数产生微小的增加，但影响并不十分明显.
3 结 论
1)用空气雾化水冷工艺所制备的高硅铝合金粉末，颗粒细小、尺寸均匀，且氧含量比较低；粉末颗粒形状大部分呈液滴状长条形和类球形.
2)原始粉末颗粒越细，其经热挤压后所得高硅铝合金材料硅相对要细小一些，其抗拉强度要高一些.
3)空气雾化水冷粉末经热挤压后可获得致密度比较高的高硅铝合金材料，气密性达10-9，可满足使用要求.
4)原始粉末越粗，经热挤压后所得的高硅铝合金材料的热导率及热膨胀系数相对也要大一些.
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(编辑 吕雪梅)
(上接第267页)
量比为1∶8时无机相呈网络状，与聚酰亚胺基体界面模糊.
3)掺入无机组分对杂化薄膜的介电性能产生影响，介电常数ε和介电损耗tgδ随频率增加而减小.
4)在无机相含量相同时，随Si O2含量增加,ε和tgδ增加.
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