Al-Si子封装材料的喷射沉积制备.docx

Al-Si电子封装材料的喷射沉积制备昆明贵金属研究所 杜怡霖 射沉积是近40年发展起来的利用快速凝固方法直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进的成形技术，主要由熔融金属的气体雾化、雾化熔滴的沉积等连续过程组成。喷射成形包括如下工艺。喷射轧制：喷射沉积形成连续的带材产品，随后进行热轧或冷轧。喷射锻造：目的在于生产供热锻用的喷射铸造预型坯，或者在喷射铸造中空坯后挤压。离心喷射沉积：熔融金属被离心雾化，沉积在冷衬底上，由衬底上可取下形成的大管子。喷射涂层：涂层结合在衬底上，同时喷射喷丸，可制得全致密热加工的无应力沉积物。喷射成形受重视的主要原因是，能够制造大型薄壁零件和获得连续带材，可得到细晶粒和性能优异的材质，节约能源，降低成本。1 　喷射沉积工艺发展概况喷射沉积最早的概念和原理是由英国Swansea大学的A.Singer教授于1968年提出来的。当时Singer等人把熔融金属离心雾化，雾化液粒喷在一个旋转的沉积载体上，形成沉积坯料，并直接轧制得到坯料。这种方法得到的沉积坯密度较低，厚度不均，并且坯料的冷却速度完全依赖于基体。1974年R.Brooks等人成功地将喷射沉积原理应用于锻造坯的生产，发展了著名的Osprey工艺。Brooks等人不断地对Osprey工艺进行深入研究，开发了适合于喷射沉积的合金系列，设计和制造了多种Osprey成套设备，生产了传统方法难于加工得到的高合金和超合金管、环、筒、棒和坯材，并取得了两项专利。从此，Osprey工艺蜚声于世，成为喷射沉积的代名词。20世纪70年代末，美国麻省理工大学的N.J.Grant提出以超声气体雾化制备细粒度、高速度的雾化液滴为特征的液体动压成形工艺(LDC)。这类工艺的冷却速率约为103～104K/s，组织细小，是典型的快速凝固材料。由于超声雾化难以连续获得，冷却过快导致材料收率降低、孔隙度较高，因此，难以实现工业应用。喷射沉积半固态加工是利用金属材料从固态向液态，或从液态向固态转变过程中，在半固态温度区间内实现的加工过程。20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings教授领导的研究组发现，处于凝固状态的金属材料经强力搅拌后，枝晶被打碎，生成球状晶组织，具有成形时所需要的优异性能，即流变性和触变性，并冠以半固态加工。金属半固态成形主要分为流变成形和触变成形。由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便，并易于实现自动化操作，因此半固态金属触变压铸(Thixodie-casting)和触变锻造(Thixoforging)是当今金属半固态成形的主要工艺。喷射沉积技术的性能价格比高于传统工艺，随着对材料各方面的要求越来越高，必将发挥越来越重要的作用。2　喷射沉积的原理及其特点喷射沉积技术的基本原理：经过流管流出的熔融金属，被雾化喷雾出口的高速气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射流，雾化熔滴射流在高速气流的作用下加速，并与气流进行热交换。其中小于某一临界尺寸的熔滴凝固为固体颗粒，较大尺寸的熔滴仍为液态，中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒。这些凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积表面后，在表面上附着、铺展、堆积及与表面熔合而形成一个薄的半液态层，并顺序凝固结晶，逐步沉积生长为大块致密的金属实体———沉积坯。图1为喷射沉积的示意图。喷射沉积过程的工艺流程如图2所示,它大致可以分为五个阶段: 金属释放阶段、气体雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段及沉积体凝固阶段。图中标出了各个阶段的独立工艺参数( IndependentProcess Parameters)IPP。沉积体毛坯的形状、组织和性能关键取决于两个状态: (1) 即将沉积的喷射颗粒状态(颗粒中的固相含量); (2) 沉积体表面状态(沉积体形状和顶层液相含量)。图2中的IPP1-IPP6决定了即将沉积颗粒的状态。当颗粒固相量过高时(f s→1),大部分颗粒完全凝固, 此时只能得到松散的粉末, 而不能形成致密的沉积体;相反,当颗粒固相量过低时(f s→0),则会得到如同铸态的组织而失去喷射沉积过程的优势。因此,最理想的状态应该是金属雾化颗粒应处于半固态状态,即其液相量应足以填充已凝固颗粒之间的孔隙,同时又必须保证溅射颗粒粘结在沉积体表面以获得最大的收得率。沉积体表面状态取决于沉积金属颗粒的状态以及工艺参数IPP7 和IPP8。喷射沉积与铸造冶金和粉末冶金工艺相比具有以下特点：致密度高，合金的氧含量低，具有快速凝固的显微组织特征；合金性能比常规铸锻材料有较大提高，容易加工成形，甚至可以获得超塑性；工艺流程短，成本低，沉积效率高；柔性制造系统灵活，近终成形。3　喷射沉积技术在Al2Si 电子封装材料中的应用Al2Si 合金是一种综合性能可以满足电子封装要求的合金体系，其热膨胀系数(CTE)和热导率随硅含量的变化在一定范