[發(fā)明專利]低熱膨脹和高強(qiáng)度AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110427555.0
• 申請(qǐng)日: 2011-12-19
• 公開（公告）號(hào): CN103160716A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉彥強(qiáng);魏少華;樊建中;馬自力;左濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號(hào): C22C21/02
• 分類號(hào): C22C21/02;C22C30/00;C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 北京北新智誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉徐紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種包含鋁、硅和氮化鋁的混雜復(fù)合材料及其制備方法，特別涉及一種具有低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等綜合性能優(yōu)勢(shì)，因而在宇航、微電子和交通領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。鋁基復(fù)合材料大多采用碳化硅、氧化鋁、硅、氮化鋁、碳化硼等顆粒或晶須，以及纖維等作為增強(qiáng)材料。其中，硅是一種輕質(zhì)、低熱膨脹、高強(qiáng)度的理想增強(qiáng)材料；硅的密度(2.33g/cm³)比鋁合金低14％，它具有極低的膨脹系數(shù)(2.6×10^-6K^-1)、較高的導(dǎo)熱率和彈性模量，與其他幾種陶瓷增強(qiáng)材料相比硅具有良好的加工制造工藝性能，因此硅鋁復(fù)合材料(Si/Al)在最近十幾年中得到了極大的重視，最具代表性的是以微電子封裝為應(yīng)用背景的低比重、低膨脹、高導(dǎo)熱、高硅含量Si/Al復(fù)合材料(硅的體積百分含量為40wt.％～75wt.％)，其加工和制備工藝窗口相對(duì)較寬，國(guó)外已部分實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。然而，目前所制備的Si/Al復(fù)合材料的綜合性能和制造性能仍然難以滿足應(yīng)用需求。熱膨脹系數(shù)是Si/Al封裝復(fù)合材料最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，以60vol％～70vol％Si/Al為例，其熱膨脹系數(shù)為7.5～10.5×10^-6ppm/K，但由于材料主要成分為硬脆性硅，以及材料內(nèi)部不可避免含有缺陷等因素導(dǎo)致材料的機(jī)加工工藝性能較差，難以滿足小尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)電子封裝外殼件的精密制造要求；降低硅含量可以提升復(fù)合材料的強(qiáng)韌性，改善機(jī)加工特性，但復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨之升高，無(wú)法滿足封裝件的指標(biāo)要求。

氮化鋁(AlN)也是常用的陶瓷增強(qiáng)材料之一，AlN具有高導(dǎo)熱、高模量、低膨脹等優(yōu)勢(shì)。AlN作為增強(qiáng)材料，其增強(qiáng)增韌和降低鋁基材料熱膨脹的效果均比Si好，但AlN屬于共價(jià)鍵化合物，粉末燒結(jié)性能差，與金屬鋁不潤(rùn)濕，制備高AlN含量的AlN/Al復(fù)合材料的難度較大。采用AlN和Si混雜增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)陀诓捎脝我籗i增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料，而AlN-Si-Al的密度僅為2.55～2.7g/cm³，明顯低于已經(jīng)獲得應(yīng)用的55％～70％SiC/Al電子封裝復(fù)合材料；該復(fù)合材料的制備和加工工藝性比AlN/Al和SiC/Al良好。制備AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電子封裝材料低比重、低熱膨脹和高強(qiáng)度綜合性能的新途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料，該材料高度致密、組織均勻。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的：

一種低熱膨脹和高強(qiáng)度的AlN-Si-Al混雜復(fù)合材料，其重量百分比組成為：AlN：10wt.％～25wt.％，Si：40wt.％～45wt.％，Al：30wt.％～50wt.％，其中，AlN和Si作為增強(qiáng)材料以顆粒形式均勻彌散分布在連續(xù)的鋁基體中，形成AlN顆粒和Si顆?；祀s增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料?？刹捎梅勰┮苯鸸に囍苽洌频玫膹?fù)合材料具有均勻的微觀組織且完全致密。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料較低的熱膨脹系數(shù)，AlN和Si增強(qiáng)顆粒的重量百分比之和在50wt.％～70wt.％之間選擇；為了保持復(fù)合材料良好的機(jī)加工性能，AlN的含量不超過30wt.％。

為了選擇合理的增強(qiáng)顆粒尺寸來滿足復(fù)合材料的高強(qiáng)度要求，優(yōu)選Si顆粒與AlN的顆粒平均尺寸之比大于或接近2，例如大于等于1.75，以使小尺寸的AlN顆粒填充到大尺寸的Si顆粒間隙，使得在顆?？偤看_定的情況下，最大程度提高顆粒分散均勻性；優(yōu)選AlN顆粒平均尺寸在3μm～20μm之間選擇，Si顆粒平均尺寸在5μm～50μm之間選擇。

在AlN顆粒和Si顆粒的總含量超過50wt.％的情況下，在AlN-Si-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度優(yōu)選不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒徑在3μm～20μm之間選擇。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備工藝，采用這種工藝制備的AlN-Si-Al復(fù)合材料具有低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度；所制得的復(fù)合材料機(jī)加工工藝性能良好，可采用常規(guī)機(jī)加工手段加工成含有薄壁、小孔等結(jié)構(gòu)的微電子封裝件。