Al-Si電子封裝材料的噴射沉積制備

1、Al-Si電子封裝材料的噴射沉積制備昆明貴金屬研究所 杜怡霖 20111008Al-Si電子封裝材料的噴射沉積制備 昆明貴金屬研究所 杜怡霖 20111008噴射沉積是近40年發(fā)展起來的利用快速凝固方法直接制備金屬材料坯料或半成品的一種先進(jìn)的成形技術(shù)，主要由熔融金屬的氣體霧化、霧化熔滴的沉積等連續(xù)過程組成。噴射成形包括如下工藝。噴射軋制：噴射沉積形成連續(xù)的帶材產(chǎn)品，隨后進(jìn)行熱軋或冷軋。噴射鍛造：目的在于生產(chǎn)供熱鍛用的噴射鑄造預(yù)型坯，或者在噴射鑄造中空坯后擠壓。離心噴射沉積：熔融金屬被離心霧化，沉積在冷襯底上，由襯底上可取下形成的大管子。噴射涂層：涂層結(jié)合在襯底上，同時(shí)噴射噴丸，可制得全致密熱加

2、工的無應(yīng)力沉積物。噴射成形受重視的主要原因是，能夠制造大型薄壁零件和獲得連續(xù)帶材，可得到細(xì)晶粒和性能優(yōu)異的材質(zhì)，節(jié)約能源，降低成本。1 噴射沉積工藝發(fā)展概況噴射沉積最早的概念和原理是由英國(guó)Swansea大學(xué)的A.Singer 教授于1968年提出來的。當(dāng)時(shí)Singer等人把熔融金屬離心霧化，霧化液粒噴在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的沉積載體上，形成沉積坯料，并直接軋制得到坯料。這種方法得到的沉積坯密度較低，厚度不均，并且坯料的冷卻速度完全依賴于基體。1974年R.Brooks等人成功地將噴射沉積原理應(yīng)用于鍛造坯的生產(chǎn)，發(fā)展了著名的Osprey工藝。Brooks等人不斷地對(duì)Osprey工藝進(jìn)行深入研究，開發(fā)了適合于

3、噴射沉積的合金系列，設(shè)計(jì)和制造了多種Osprey成套設(shè)備，生產(chǎn)了傳統(tǒng)方法難于加工得到的高合金和超合金管、環(huán)、筒、棒和坯材，并取得了兩項(xiàng)專利。從此，Osprey工藝蜚聲于世，成為噴射沉積的代名詞。20世紀(jì)70年代末，美國(guó)麻省理工大學(xué)的N.J.Grant提出以超聲氣體霧化制備細(xì)粒度、高速度的霧化液滴為特征的液體動(dòng)壓成形工藝(LDC)。這類工藝的冷卻速率約為103104K/s，組織細(xì)小，是典型的快速凝固材料。由于超聲霧化難以連續(xù)獲得，冷卻過快導(dǎo)致材料收率降低、孔隙度較高，因此，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。噴射沉積半固態(tài)加工是利用金屬材料從固態(tài)向液態(tài)，或從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，在半固態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的加工過程。

4、20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組發(fā)現(xiàn)，處于凝固狀態(tài)的金屬材料經(jīng)強(qiáng)力攪拌后，枝晶被打碎，生成球狀晶組織，具有成形時(shí)所需要的優(yōu)異性能，即流變性和觸變性，并冠以半固態(tài)加工。金屬半固態(tài)成形主要分為流變成形和觸變成形。由于半固態(tài)金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便，并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，因此半固態(tài)金屬觸變壓鑄(Thixodie-casting)和觸變鍛造(Thixoforging)是當(dāng)今金屬半固態(tài)成形的主要工藝。噴射沉積技術(shù)的性能價(jià)格比高于傳統(tǒng)工藝，隨著對(duì)材料各方面的要求越來越高，必將發(fā)揮越來越重要的作用。2 噴射沉積的原理及其特點(diǎn)噴射沉積技術(shù)的基本原理：經(jīng)過流管流出的熔

5、融金屬，被霧化噴霧出口的高速氣流破碎，霧化為細(xì)小彌散的熔滴射流，霧化熔滴射流在高速氣流的作用下加速，并與氣流進(jìn)行熱交換。其中小于某一臨界尺寸的熔滴凝固為固體顆粒，較大尺寸的熔滴仍為液態(tài)，中間尺寸的熔滴則為含有一定比例液相的半凝固顆粒。這些凝固程度不同的熔滴高速撞擊沉積表面后，在表面上附著、鋪展、堆積及與表面熔合而形成一個(gè)薄的半液態(tài)層，并順序凝固結(jié)晶，逐步沉積生長(zhǎng)為大塊致密的金屬實(shí)體沉積坯。圖1為噴射沉積的示意圖。噴射沉積過程的工藝流程如圖2所示,它大致可以分為五個(gè)階段: 金屬釋放階段、氣體霧化階段、噴射階段、沉積階段及沉積體凝固階段。圖中標(biāo)出了各個(gè)階段的獨(dú)立工藝參數(shù)( Independent

6、Process Parameters)IPP。沉積體毛坯的形狀、組織和性能關(guān)鍵取決于兩個(gè)狀態(tài): (1) 即將沉積的噴射顆粒狀態(tài)(顆粒中的固相含量); (2) 沉積體表面狀態(tài)(沉積體形狀和頂層液相含量)。圖2中的IPP1-IPP6決定了即將沉積顆粒的狀態(tài)。當(dāng)顆粒固相量過高時(shí)(f s1),大部分顆粒完全凝固, 此時(shí)只能得到松散的粉末, 而不能形成致密的沉積體;相反,當(dāng)顆粒固相量過低時(shí)(f s0),則會(huì)得到如同鑄態(tài)的組織而失去噴射沉積過程的優(yōu)勢(shì)。因此,最理想的狀態(tài)應(yīng)該是金屬霧化顆粒應(yīng)處于半固態(tài)狀態(tài),即其液相量應(yīng)足以填充已凝固顆粒之間的孔隙,同時(shí)又必須保證濺射顆粒粘結(jié)在沉積體表面以獲得最大的收得率。沉

7、積體表面狀態(tài)取決于沉積金屬顆粒的狀態(tài)以及工藝參數(shù)IPP7 和IPP8。噴射沉積與鑄造冶金和粉末冶金工藝相比具有以下特點(diǎn)：致密度高，合金的氧含量低，具有快速凝固的顯微組織特征；合金性能比常規(guī)鑄鍛材料有較大提高，容易加工成形，甚至可以獲得超塑性；工藝流程短，成本低，沉積效率高；柔性制造系統(tǒng)靈活，近終成形。3 噴射沉積技術(shù)在Al2Si 電子封裝材料中的應(yīng)用Al2Si 合金是一種綜合性能可以滿足電子封裝要求的合金體系，其熱膨脹系數(shù)(CTE)和熱導(dǎo)率隨硅含量的變化在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 因此，通過設(shè)計(jì)材料的成分，可制備出新型輕質(zhì)并具有熱傳導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、與半導(dǎo)體硅和砷化鎵匹配及硅含量高(50%70

8、%)的Al2Si合金材料，使之滿足現(xiàn)代封裝技術(shù)的要求。硅含量較低的Al2Si 合金一般可通過熔化鑄造成形，但硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)，Al2Si合金鑄態(tài)的顯微組織主要由粗大的、孤立的、多面化和高縱橫比的一次硅晶體組成，這對(duì)材料的力學(xué)性能和可加工性將產(chǎn)生不利的影響。針狀一次硅相的尺寸為毫米級(jí)，這導(dǎo)致材料的顯微組織極度各向異性，使此合金極不適合用于電子封裝。例如，用于電子封裝的板材厚度為15 mm,如果采用鑄造材料，那么單個(gè)顆粒硅晶體將有可能穿透整個(gè)板厚，并且硅顆粒易沿?fù)駜?yōu)晶體學(xué)平面發(fā)生單方向開裂，這使材料的加工極難達(dá)到表面涂裝所要求的高精度。采用噴射沉積技術(shù)制備的Al2Si合金,可在不改變材料成分

9、的前提下大幅度提高材料的性能。在噴射成形過程中,經(jīng)過霧化的Al2Si合金熔滴在飛行過程中即開始形成硅晶體。在沉積坯表面的凝固相被破碎而產(chǎn)生大量的硅相形核，這些核心長(zhǎng)大并相互碰撞限制了硅相的長(zhǎng)大，使其無法形成鑄造組織中那樣孤立的、高度取向性的硅顆粒，而且所形成的硅晶體隨機(jī)取向，解決了顯微組織與性能各向異性的問題。這樣使沉積坯在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了連貫性，具有各向同性的合金組織和性能，有利于材料表面的精細(xì)加工。目前，關(guān)于硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%的Al2Si合金電子封裝材料的研究十分活躍。歐共體實(shí)施BRITE/EURAM計(jì)劃來開發(fā)以Al2Si合金為基礎(chǔ)的新型電子封裝材料。由歐共體支持的英國(guó)Osprey公司于20

10、00年用噴射沉積技術(shù)生產(chǎn)出硅含量最高達(dá)到70%的Al2Si合金，制備出了Al227Si，Al242Si，Si250Al，Si240Al，Si230Al系列合金。該公司還可根據(jù)用戶的需求設(shè)計(jì)材料的成分，大幅度拓展了Al2Si合金的應(yīng)用，滿足了電子封裝業(yè)的需求。該公司生產(chǎn)的Al2Si系列合金的物理性能和機(jī)械性能列于表1。4 Al2Si 合金電子封裝材料的性能和應(yīng)用41 材料的性能與一般的電子封裝材料相比，用噴射沉積方法制備的Al2Si合金封裝材料具有更優(yōu)異的綜合性能。在Al-70Si合金的微觀結(jié)構(gòu)中，彌散均勻的硅顆粒形成了連續(xù)的骨架，鋁圍繞硅顆粒間隙呈現(xiàn)連續(xù)的網(wǎng)狀分布。其主要特點(diǎn)是硅彌散分布于基體

11、中，無顆粒偏析和凝固偏析的現(xiàn)象；硅和金屬基體接觸緊密，沒有明顯的過渡層。由于硅的CTE遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋁的，這樣硅顆粒對(duì)基體鋁的熱膨脹將起到有效的鎖定和限制作用，所以硅顆粒的體積分?jǐn)?shù)在很大程度上決定了Al2Si合金的熱膨脹系數(shù)。張濟(jì)山的研究表明：通過控制合金中的Si含量可以調(diào)控Al2Si合金的CTE；當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%時(shí)，合金的CTE不隨Si含量的增加而降低；溫度對(duì)Al2Si合金CTE的影響不大。Al2Si合金的熱導(dǎo)率不僅與硅和鋁的導(dǎo)熱性能以及硅含量有直接的關(guān)系，而且還受Al2Si合金界面及硅顆粒的尺寸和分布的影響。 如果Al2Si合金的界面越多，結(jié)合越差，則界面的熱阻越大，熱導(dǎo)率就越低。這主要

12、是由于幾何界面或晶體缺陷對(duì)聲子和自由電子有散射作用。 增強(qiáng)相的均勻分布及高導(dǎo)熱基體形成完整連通的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)對(duì)提高材料的導(dǎo)熱性能十分有利。用普通刀具就可對(duì)Al-70Si合金進(jìn)行加工，而且還可以在其表面上鍍鎳、銅、銀和金， 鍍層在450保持穩(wěn)定且結(jié)合牢固。42 材料的應(yīng)用高硅鋁合金電子封裝材料不僅具有CTE低、熱導(dǎo)率高及可加工性強(qiáng)，而且還具有良好的力學(xué)性能，可滿足航空航天、空間技術(shù)和便攜式電子器件等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)﹄娮臃庋b材料的要求。Osprey公司用噴射沉積與熱等靜壓結(jié)合的方法制備的內(nèi)部組織均勻、性能優(yōu)良的Al-70Si電子封裝材料已經(jīng)成功用于航天微波電路。5 需解決的問題用噴射沉積技術(shù)生產(chǎn)的高硅鋁

13、合金電子封裝材料在實(shí)際應(yīng)用中逐漸暴露出強(qiáng)度低、在海洋氣候下使用易腐蝕等問題。主要原因是只研究了這種材料的物理性能與Si含量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，沒有拓展材料微合金化的研究。因此，開展微合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)獲得性能優(yōu)異的Al2Si合金具有十分重要的意義。為了改善Al2Si合金的組織和性能，常常加入合金元素Cu、Mg、Fe、Ni和Mn等。加入Cu和Mg的目的主要是通過析出強(qiáng)化提高合金的室溫強(qiáng)度，所加Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般約為210% ，Mg 一般為1%3%；加入Fe、Ni、Mn 是為了改善合金的熱穩(wěn)定性，提高其高溫強(qiáng)度。加入Cu或Mg的快速凝固Al2Si合金粉末，經(jīng)擠壓和時(shí)效，可形成具有沉淀強(qiáng)化作用的Al2

14、 Cu相和Mg2 Si相，使合金強(qiáng)度顯著提高。 王鋒的研究表明：當(dāng)合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Mn時(shí)，組織中針狀的Al2Si2Fe金屬間化合物被顆粒狀的Al15(FeMn)3Si2所代替。 袁曉光的研究表明：Al2Si合金中Fe形成耐熱的金屬間化合物，可抑制Si相的粗化，阻止位錯(cuò)的滑移和亞結(jié)構(gòu)的消失以及晶界遷移，從而提高合金的室溫和高溫性能。王鋒等人在Al2Si合金中加入一定量的Cu 和Mg 后，合金經(jīng)過噴射沉積快速凝固和后續(xù)的時(shí)效處理，在合金基體中析出了時(shí)效強(qiáng)化相，合金在常溫和高溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅度地提高。6 結(jié)語噴射沉積技術(shù)把液態(tài)金屬的霧化和霧化熔滴的沉積自然地結(jié)合起來，以較少的工序?qū)⒑辖鹬苯訌囊簯B(tài)制備成致密、組織細(xì)化、成分均勻、結(jié)構(gòu)完整并接近零件實(shí)際形狀的材料和坯件。用噴射沉積技術(shù)生產(chǎn)的Al2Si系列電子封裝材料可與大多數(shù)半導(dǎo)體材料匹配，在國(guó)外這種材料已進(jìn)入實(shí)用化和商品化階段，但是國(guó)內(nèi)在高硅鋁合金電子封裝材料的研制及這類材料的產(chǎn)品化方面還有些差距，進(jìn)行這方面研究和開發(fā)是十分必要的。參考文獻(xiàn)1.噴射沉積技術(shù)，彭超群、黃伯云，有色金屬，2002（2）2.噴射沉積技術(shù)在Al-Si電子封裝材料中的應(yīng)用，徐高磊