粉末球磨预处理对高硅铝合金材料组织与物理性能的影响.pdf

第 4 5卷第 1 期 2 0 0 9 年1月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 45 N O 1 J a n 2009 DoI 1 0 3 9 01 J M E 2 00 9 O1 25 3 粉末球磨预处理对高硅铝合金材料组织 与物理性能的影响水 杨伏良1 2 易丹青 2 f 1 中南大学材料科学与工程学院长沙4 1 0 0 8 3 2 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室长沙4 1 0 0 8 3 摘要 为制各出能满足使用要求的高硅铝合金电子封装材料 采用高能球磨对 A 1 S i合金粉末进行氧化预处理 结合包套热 挤压制备 A1 2 O 3 与S iO 2 增强的弥散强化型铝硅复合材料 并采用透射电镜 金相显微镜及热物性测试仪 对材料显微组织 密度 气密性 热膨胀系数及热导率进行分析测试 试验结果表明 与高温空气氧化相比 粉末高能球磨后 所制备材料的 晶粒更加细小 特别是硅粒子己明显细化 粉末球磨后所制备材料密度接近于理论密度 其致密度在 9 9 左右 材料气密性 很好 在 1 n P a m s 一以下 材料热膨胀系数随粉末球磨时间延长而下降 当球磨时间超过 2 4 h后 材料膨胀系数小于 1 3 g K 随着球磨时间延长材料热导率增加 球磨3 2 h 后 材料热导率高达 1 4 5 5 W m K 关键词 高硅铝合金 电子封装 高能球磨铝硅复合材料 中图分类号 T F 1 1 2 T G 3 3 7 Ef f e ct o f M illin g Pr e t r e a t me n t t o Po wd e r s o n M icr o s t r u ct u r e a n d Ph y s ica l Pr o pe r t ie s o f AI S i Allo y M a t e r ia ls YANG F ulia ng YI Da nq in g 2 1 S ch o o l o f Ma t e r ia l S cie n ce a n d E n g in e e r in g C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 2 Ke y La b o r a t o r y o f No n f e r r o u s M e t a l M a t e r ia ls S ci e n ce a n d E n g in e e r in g Min is t r y o f E d u ca t io n C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 Ab s t r a ct I n o r d e r t o f a b ri ca t e 1 1 i g h s il ico n co n t e n t a l u mi n u m a l lo y s e le ct r o n i c p a ck a g in g ma t e r i a ls A1 2 03 a n d S i 02 d i s p e r s io n s tr e n g t h e n e d me t a l li c ma t r i x co mp o s i t e s MMC s a r e ma d e b y p r e t r e a t me n t o f h ig h e n e r g y mi ll in g f o r t h e A1 S i a ll o y p o w d e r p ri o r t o h o t e x t r u s i o n T h e micr o s t mct u r e d e n s i t y a i r t i g h t n e s s co e ffi ci e n t o f t h e r ma l e x p a n s i o n a n d t h e r m a l co n d u ct iv ity T C a r e a n a ly z e d b y u s i n g t r a n s mis s i o n e le ct r o n mi cr o s co p e T E M me t a ll o g r a p h i c mi cr o s co p e a n d t h e rm a l p h y s i ca l t e s t e r s E x p e ri me n t a l r e s u l t s i n d ica t e t h e f o ll o wi n g Afte r A1 一 S i a ll o y p o wd e r s are mi ll e d t h e ma t e r i a l g r a in s e s p e ci a l l y S i gra i n s are s ma ll e r t h an t h o s e o f t h e h i g h t e mp e r a t m e a i r o x i d a t i o n Th e ma t e ri a l d e n s i ty is clo s e t o t h e t h e o r e t ica l d e n s i ty and t h e r e l a t iv e d e n s i t y is a b o u t 9 9 Th e a ir t i g h tne s s is v e r y g o o d a n d le s s t h a n ln P a m s T h e co e ffi cie n t o f t h e r ma l e x p a n s i o n d e cr e a s e s wi t h p r o l o n g i n g mi ll i n g t ime a n d le s s t h a n 1 3 g K a fte r t h e p o wd e r i s mi ll e d for 2 4 h Th e rm a l co n d u ct iv ity in cr e a s e s wit h p r o lo n g i n g mill i n g t i me a f t e r t h e p o wd e r is mille df o r 3 2 h TC is u pt o 1 4 5 5 W m K Ke y wo r d s Hig h s il i co n a lu mi n u m a l lo y El e ct r o n ic p a ck a g i n g Hig h e n e r g y mi l li n g A1 S i co mp o s i t e ma t e ri a l 0 前言 高硅铝合金作为 电子封装材料 其质量仅为传 统金属基 W C u电子封装材料的 1 6 且高硅铝合金 具有很好 的导热性能 线膨胀系数可控n t 能与 电 国防科学技术工业委员会资助项目 2 0 0 3 1 5 1 2 0 0 8 0 1 1 6 收到初稿 2 0 0 8 0 8 2 9收到修改稿 路板广泛使用的半导体材料相匹配 因此 高硅铝 合金作为基片衬底 机壳及盖板等材料 可保证电 子器件在使用过程中不致受热或开裂而过早失效 高硅铝合金电子封装材料 代表 了新型轻质 电子封 装材料的发展方向 高硅铝合金制备工艺有熔铸法l 2 4 粉末冶金烧 结法 喷射沉积 5 9 1 和溶渗法锭坯制备技术和热挤压 半固态挤压和热锻造等加工成形技术 l 然而这些 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械 工程学报第4 5卷第1期 方法所制备材料 由于其热导率 热膨胀系数及抗拉 强度难以同时满足电子封装材料的使用要求 必须寻 求新的途径 制备出能完全满足使用要求的材料 弥散强化金属基复合材料由于微粒子阻碍金 属基体的位错运动而强化基体 其典型代表为烧结 铝粉 S inter edaluminumpowder s SAP 等 由于其强 化相多为氧化物 故也叫氧化物弥散强化foxides dispersions仃engthening ODS 合金 美国G l idden Metals公司 J发表 了A1203粒子分散强化Cu合金 的报告 其制备方法是将Cu A l合金用气体雾化法 雾化成粉末 然后对粉末进行 内氧化 使其内部A 1 氧化成A1203粒子 再挤压成制品 得到了性能优 良的A1203弥散强化铜合金材料 鉴于此 试验采 用高能球磨对Al Si合金粉末进行氧化预处理 然 后结合包套挤压 制备出A1203与S i 02增强的弥散 强化型铝硅复合材料 本文系统研究了球磨时间对 粉末球磨后所制备高硅铝合金材料组织及 电子封装 材料所要求物理性能的影响 1 材料制备工艺 材料制备工艺流程为 A1 S i合金粉末一 高能球 磨 一 包套 一 热挤 一 制样测试 1 1粉末制备 试验所用粉末名义成分为A1 30S i 粉末采用氮 气雾化水冷制得 其化学成分质量分数及实测粒度 如表l所示 高能球磨设备采用自制专用球磨机 选择10m m与5 Im两种直径的不锈钢球进行搭 配 其质量配比为1 l 球料比为10 1 分别采 用8h 16 h 24h与32h四种球磨时间进行球磨f另 有试验采用了高温空气氧化对粉末进行预处理 氧 化温度为300 为便于比较 氧化时间设定与球 磨时间相同1 表1 A1 30s i粉末化学成分质量分数及实测粒度 1 2 粉末成形 由于粉末经过球磨处理后氧含量增加 在粉末 表面形成 了较厚 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 因此须要采用 一 些特殊的致密化工艺Il 5J 另外 合金中硅含量较高 合金粉末 内含有大量的初晶硅 相 材料的塑性较差 同时 由于S i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 将球磨后的合金粉末装入特制的 纯铝包套内 振实后其密度可达理论密度的70 封闭焊合包套 包套盖板上留有 一 小孔 以便挤压时 包套内气体的排出 挤压前对样品采用520 加 热保温 保温时间为1h 挤压 比为21 3 挤压简直 径为60mm 挤压后直径为13m m 1 3组织观察与物理 眭能检测 采用EOPH A T金相显微镜及J EM 一3010型透射 电子显微镜对材料进行显微组织观察 透射电镜试 样经机械减薄到0 1m m左右 冲成直径为3m m的 圆片 再进行离子减薄穿孔 采用排水法测量材料 密度 所用分析天平最小精度为0 1 m g 在日产 H E L l0T306S型He吸附试验机上进行气密性测试 在J R 一 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 试验结果分析及讨论 2 1 球磨时间对材料组织的影响 图1为粉末经高温 空气氧化和球磨后所挤压材 料的金相照片 从图1中可以看出 与高温 空气氧 化相比 粉末高能球磨后 所制备材料的晶粒更加 细小 特别是硅粒子已明显细化 在相同放大倍数 下 图1a中硅粒子清晰可辨 而图1b中无法识别 硅粒子 材料组织更均匀f减小了硅的偏聚 更致 密 空隙度减少 基体联通更好 这对于材料气密 性 导热性能和加工成形性能都相当有利 a A 1 30Si空气氧化24 h b A 1 30S i球磨24 h 图l粉末经高温空气氧化和球磨后所挤压材料的金相照片 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 0 9年 1 月 杨伏良等 粉末球磨预处理对高硅铝合金材料组织与物理性能的影响 2 2 球磨时间对材料密度与气密性的影响 粉末经不同时间球磨后所制备材料的密度与 气密性实测值如表 2所示 根据计算 A1 3 0 S i 实际 硅含量 2 4 4 6 材料的理论密度为 2 6 0 g cm3 从表 2所列材料实际密度可以看出 材料密度非常接近 于理论密度 其致密度在 9 9 左右 首先 可 以认 为材料是相当致密的 这从图 2材料的金相组织也 可以看出 但由于受材料加工手段的局限 实际上 材料致密度不可能达到 1 0 0 这主要是由于在计 算理论密度时忽略了粉末氧化对材料实际成分的影 响 从而对理论密度的计算存在一定的误差 表 2 粉末经不同时间球磨后所制备材料的密度 与气密性实测值 另外 从表 2中可以看出 粉末经球磨后挤压 成形 的材料气密性很好 其值均在 1 n P a m S 以下 完全能满足 电子封装材料对气密性的要求 这主要是以下两方面的原因 首先 随着球磨时间 延长 粉末粒度变小 粉末在高能球磨过程中 反 复的冷焊和破碎 使复合颗粒内部组织不断精细化 同时发生固相反应扩散 使铝基体和增强颗粒界面 结合力更强 另一方面 粉末在球磨过程中 氧化 程度的增加 细小弥散的氧化物数量增多 也可填 充材料内部微孔 降低材料 内部孔隙率 从而提高 材料气密性 2 3 球磨时间对材料热膨胀性能的影响 合金粉末经不同时间球磨后 材料在 1 0 0 2 5 0 4 0 0 所测热膨胀系数如表 3所示 从表 3中数据 可以看 出 总体上说 材料的热膨胀系数较低 且 随粉末球磨时间延长 开始下降的幅度较大 当球 磨时间超过 1 6 h后 再延长球磨时间对材料 的热膨 胀系数影响甚微 当球磨时间超过 2 4 h后 材料膨 胀系数小于 1 3 g K 可满足电子封装材料壳体与 盖板的要求 热膨胀性是铝硅合金 电子封装材料一个非常重 要的物理性能 纯 Al 的热膨胀系数高达 2 3 6 g K 而纯 S i的仅为 3 5 g K A1 2 O3 的为 6 5 g K S iO 2 的为 0 4 g K 因此 高硅铝合金材料的低热膨胀 性主要与 S i相的影响有关 同时也受合金粉末氧化 程度的影响 增强相或弥散相的体积分数 尺寸大 小 形状分布 基体材料的强度与塑性 相间的界 面性质 结合强度 材料致密度以及材料内部的残 余应力 都会或多或少影响到材料热膨胀系数 Al S i合金粉末经球磨处理后挤压成材 其热膨胀性 能仍然主要取决于 s i相的体积分数 s i粒子的大小 及在材料中的分布 增强相越多 增强颗粒越细 在材料中分布越均匀 对基体受热膨胀的阻碍作用 则越大 从而使材料 的热膨胀性能提高 但材料致 密度增加 残留空隙率降低 会使材料热膨胀系数 升高 这是由于孔隙在受热时没有膨胀 可以看成 膨胀为零的刚性第三相 从前面材料的金相组织及 致密度分析可知 粉末经球磨后材料更致密 组织 更均匀 这对材料 的热膨胀性能产生不利影响 但 从表 3结果显示其热膨胀系数却普遍比高温空气氧 化后所制备材料低 这主要归因于氧化颗粒对材料 热膨胀性能的影响 因为无论是 A l 2 O 3 还是 S iO 2 其受热膨胀都是很小的 并且是均匀弥散分布在材 料 内部 这必将阻碍基体的热膨胀 从而使材料的 热膨胀系数减小 另外 材料中低膨胀氧化物数量 的增加 本身就可降低材料的热膨胀系数 表 3 材料在 1 0 0 2 5 0 4 0 0 所测热膨胀系数 2 4 球磨时间对材料导热性能的影响 粉末经不 同时间球磨后所制备材料 的热导率 如表 4所示 从表 4中可 以看出 在相同球料比的 情况下 随着粉末球磨时间延长材料热导率增加 球磨时间在 8 2 4 h 范围内变化时 材料热导率增 加 速 度 较 大 球 磨 2 4 h 后 材 料 热 导 率 为 1 4 2 W m 但继续延长球磨时间 材料热 导率增加速度降低 球磨 3 2 h后 材料热导率为 4 5 5 W m 1 K 表 4 粉末经不同时间球磨后所制备材料的热导率 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报第4 5卷第1期 一 方面 高能球磨使合金氧化程度增加 氧化 物本身的热导率是很小的 粉末球磨氧化后经热挤 压 相当于增强颗粒分布于复合材料中 应该降低 复合材料热导率 但另 一 方面 高能球磨使A1 Si合金粉末细化 同时使合金粉末内部储藏大量的能量 促进Al相的 流动和s i相的重排过程 使A1 s i粉末颗粒更好的 粘合 减少材料内部大量存在的气孔 缺陷等造成 的孔隙 而这些孔隙的热导率很低 对声子的散射 严重 从而对材料导热性能产生不利的影响 因此 降低材料孔隙率必然会提高材料导热性能 其次是 粉末的细化 不仅使材料致密度提高 而且会使S i 相颗粒细小 且分布均匀 界面结合得到改善 图 2为Al 一30S i粉末球磨24 h后挤压材料的透射电镜 照片 从此照片中可看出 挤压材料中硅相与氧化 物质点分布较为均匀 从图2b中可看出 界面结合 良好 界面热阻大大降低 随着球磨时间延长 材 料热导率增加 a 硅相与氧化物质点的分布 b 增强相与基体的界面状况 图2 A 1 30S i粉末球磨24 h后挤压材料的透射电镜照片 总的看来 由于合金粉末的氧化物质量分数有 限 而高能球磨过程可加速材料内部的固态扩散和 反应 改善相界面的结合状态 使材料更加均匀致 密 同时明显细化材料中第二相fs i 颗粒 使基体之 间得到更好的联通 有利于提高材料热导率 采用球料比10 1 粉末球磨24h后 随着球 磨时间延长 粉末颗粒的冷焊与破碎将达到平衡 相应的粉末粒度减小到 一 定程度后将不再降低 进 一 步延长球磨时间对热挤压后材料的组织影响大大 减小 但研磨过程的机械能仍不断地传递到粉末颗 粒中 促进原子的扩散 改善界面的结合状况 降 低界面对传热声子或 电子的阻碍作用 从而提高材 料的热导率 但其提高幅度明显减小 3结论 1 与高温空气氧化相比 粉末高能球磨后 所制各材料的晶粒更加细小 特别是硅粒子已明显 细化 材料组织更均匀 更致密 2 粉末球磨后所制备材料密度非常接近于理 论密度 其致密度在99 左右 材料气密性很好 其值均在1 l l Pam s 以下 完全能满足电子封 装材料对气密性的要求 f3 材料热膨胀系数随粉末球磨时间延长而 下 降 但开始下降幅度较大 当球磨时间超过16h后 再延长球磨时间对材料的热膨胀系数影响甚微 当 球磨时间超过24 h后 材料膨胀系数小于 13uK 可满足 电子封装材料壳体与盖板的要求 f 4 在相同球料比的情况下 随着球磨时间延 长材料热导率增加 球磨时间在8 24h范围内变 化时 材料热导率增加速度较大 球磨24h后 材 料热导率为142w r K 但继续延长球磨时 间 材料热导率增加速度降低 球磨32 h后 材料 热导率为145 5 W r Ir k 球磨时间超过8h后 材料热导率均可满足电子封装材料的要求 参考文献 1 A DO L F I S JAC OBS ON DM 0 G I YA Aer ospace andspacemat嘶 a stechnolog ytesmouse R C0 n仃act N um berE R B FMGE C T 98 0141 A MT TUserNo 03 2 廖恒成 孙 国雄 铸造A1 si合金中s r与B 的交互作 用 J 中国有色金属学报 2003 13 2 353 359 L IA0Hen gcheng SU NG uO xi on g Inter acti O n between Sr andBi 1 1A1 Sicasti n gal joy s J TheCh ines eJ 0唧al of Nonf er r ousMet als 2003 13 2 353 359 3 张金山 许春香 韩富银 复合变质对过共晶高硅铝合 金组织和性能的影响 J 中国有色金属学报 2002 12 S 1 107 110 ZHA N GJ协shan X U Ch ul l iaJ lg H A N Fuyi n E仃e ctof com posi temod if ie ronst nJct u resaf ld pr open i esof hy per eutecticA 一Sia1J0y J T heC h in es eJ 0啪al0f N0nf er r ousMet als 2002 12 S1 107 110 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 0 9年 1月 杨伏良等 粉末球磨预处理对高硅铝合金材料组织与物理性能的影响 2 5 7 4 魏朋义 傅恒志 熔体搅拌 A1 1 2 S i 合金的组织细化 J 中国有色金属学报 1 9 9 6 6 1 9 8 1 0 2 W E I P e n g y i F U He n g z h i M icr o s t r u ct u r e r e fi n e me n t o f A l 一 1 2 S i b y me l t s s t ir r i n g J T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s 1 9 9 6 6 1 9 8 1 0 2 5 1 傅 定发 任 胜 钢 陈 振 华 多 层 喷 射 沉 积 过 共 晶 A1 S i C u Mg合金的微观组织及力学性能 J 中南工 业大学学报 2 0 0 0 3 1 5 4 4 5 4 4 7 F U Din g f a RE N S h e n g g a n g C HE N Zh e n h u a M icr o s t r u ct u r e s a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s o f a h y p e r e u t e ct ic A1 S i Cu M g a l l o y b y mu l t i l a y e r s p r a y d e p o s i t io n J J C e n t S o u t h U n i v T e ch n o 1 2 0 0 0 3 1 5 4 45 4 47 6 S R I V A S T A V A V C MA NDA L R K OJ HA S N Micr o s t r u ct u r e a n d me ch a n i c a l p r o p e r t i e s o f A1 一 S i a l l o y s p r o d u ce d b y s p r a y f o r mi n g p r o ce s s J Ma t e r ia l s S cie n ce a n d E n g in e e ri n g 2 0 0 1 A3 0 4 3 0 6 5 5 5 5 5 8 7 M W J Y E ON J H L E E J C S u p e r p l a s t i c d e f o r ma t io n b e h a v io r o f s p r e y d e p o s i t e d h y p e r e u t e ct i c A1 2 5 S i a l l o y J J o u r n a l o f A l l o y s a n d C o mp o u n d s 2 0 0 0 3 0 8 2 3 7 2 4 3 8 甄子胜 赵爱民 毛卫民 等 喷射沉积高硅铝合金显 微 组织 及形 成机 理 J 1 中 国有 色金 属 学报 2 0 0 0 1 O 6 8 1 5 8 1 7 ZHE N Z is h e n g Z HAO Aimin M AO W e imin e t a 1 Micr o s t r u ct u r e a n d f o rm a t i o n me ch a n i s m o f s p r a y d e p o s i t e d h y p e r e u t e cfic A 1 S i a l l o y s J T h e C h i n e s e J o u rna l o f No n f e r r o u s Me t a l s 2 0 0 0 1 O 6 8 1 5 8 1 7 9 孙章明 丁道云 陈振华 多层喷射沉积制备高硅铝合 金工艺研究 J 中南工业大学学报 1 9 9 7 2 8 3 2 5 7 2 5 9 S k I N Z h a n g min g DI NG Da o y u n CHE N Zh e n h u a S t u d ie s o n p r e p a r in g t e ch n o l o g y o f h ig h s il ico n a l u mi n u m a l l o y b y mu l t i l a y e r s p r a y d e p o s i t i o n J J C e n t S o u t h U n i v T e ch n o 1 1 9 9 7 2 8 3 2 5 7 2 5 9 1 O 赵爱民 甄子胜 毛卫民 等 喷射沉积高硅铝合金的 半固态触变成形 J 中国有色金属学报 2 0 0 0 1 0 S 1 1 2 6 1 31 Z AO Aimin Z HE N Zis h e n g M AO W e imin e t a 1 S e mi s o l i d t h i x o f o rm i n g o f s p r a y f o rm e d h ig h s il ico n h y p e r e u t e ct i c A 1 一 S i a l l o y J T h e C h in e s e J o u r n a l o f N o n f e r r o u s Me t a l s 2 0 0 0 1 o s 1 1 1 2 6 1 3 1 1 1 S O NG K X XI NG J D D O NG H Q M I n t e r n a l o x i d a