噴射成形鋁硅合金電子封裝梯度材料的研究進展

曹福洋，于雷，侯立國，賈延東，李海超，孫劍飛

（哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

飛機、導彈、衛星等武器裝備的輕量化、高機動性，要求其雷達系統體積更小、功率更大、集成化程度更高?，F代戰機和導彈的電子封裝系統，芯片裸集成于封裝盒底面，要求其膨脹系數須與GaAs或Si芯片材料具有良好的匹配度，同時具有優良的散熱性能，可將集成電路產生的熱量及時散出［1—3］;另一方面，封裝殼側壁和上蓋起支撐和保護作用，須具有良好的機械性能、氣密性和可焊接性能［4］。

國內外最新研究表明，噴射成形超高硅鋁合金（Si質量分數超過50%）是此類構件的首選材料［5—11］。噴射成形的快速凝固與沉積的沖擊破碎特性，使其制備的材料具有組織細小、成分均勻等特征［12—20］。噴射成形Al-50%Si合金初生硅相小于30 μm，膨脹系數在10×10-6K-1以下，導熱率大于120 W/（m·K），如圖1所示，這些性能極好地滿足了高集成電路封裝襯底的要求。

圖1 Al-50%Si合金鑄態與沉積態的顯微組織Fig.1 The microstructure of as-cast after modification and spray deposited Al-50%Si alloy

然而，當硅含量較高（質量分數超過40%）時，即使采用噴射成形法制備的細晶材料，其機械性能和焊接性能仍不理想，側壁的精細加工和焊接存在一定的困難。為此，應用單位明確提出了對Al-Si合金硅梯度功能材料的需求。利用Si成分的梯度變化改善電子封裝材料的低膨脹性與焊接、精加工、氣密性之間的矛盾。低硅端具有優良的焊接、精加工性能，滿足封裝盒側壁鉆孔、焊接、密封的需求;高硅端具有低的熱膨脹系數，滿足電路和芯片集成要求。

雙工位噴射成形技術可通過調節噴射金屬液的成分和噴射沉積工藝，以增材的方式一次性整體沉積成具有預期成分和性能梯度的復合材料。同時，雙工位噴射成形繼承了傳統噴射成形快速凝固組織特點，組織細小，成分過渡均勻，性能優異，從成形原理上講，適于此類電子封裝用梯度材料的成形制備。

1 國內外研究現狀

最先提出依靠噴射沉積工藝來獲得雙金屬成分合金的人是A.R.E.Singer。該工藝是以達到使兩類金屬相互連接融合為目的，在充滿保護氣體的氛圍中，通過控制噴射沉積時沉積層金屬傳入的熱量，將2種不同成分的合金液噴射沉積到2個軋輥上，隨后立即進行軋制工序，最后得到兩種合金成分的材料。Singer教授利用該技術成功制出了長度接近10 m的條帶［21—24］。

在噴射成形工藝發展的過程中，利用該工藝技術生產雙金屬合金成分材料的研究工作越來越受到研究者們的重視。20世紀90年代，噴射復合成形技術愈發引起人們的關注，當時是采用分步式復合法，即先制備底層材料，然后采用單工位霧化器向預熱好的底層材料表面噴射沉積另一種金屬，當預熱溫度合適、噴射工藝合理時，可實現底層與噴射沉積層的雙金屬復合，該分布式噴射成形復合工藝可用于制備復合管、軋輥、復合板等［25—30］。

與使用一般鑄造方法制造的高速鋼軋輥相比較，噴射沉積技術制備的高速鋼軋輥的有效年限可以是其2倍以上。噴射復合工藝如圖2所示?；趪娚涑尚渭夹g［31］，Sheifield Forge Master Roll公司制造出了直徑達400 mm，長度為1 m，包套厚度在25～100 mm之間的熱、冷帶材軋機軋輥，經過彎曲試驗檢測后，用離心鑄造方法生產的軋輥的韌性相對于噴射沉積方法制造的包套軋輥的韌性要低，后者的熱加工性能與耐磨性能均得到大幅度提高［25］。奧斯普瑞等公司在制造厚壁管再切割成環件的同時，也將噴射成形工藝應用到軋輥材料的生產，使噴射合金與輥心材料之間產生冶金結合，包套軋輥經過熱加工以后，最后達到完全致密。與此同時，美國的BABCOCK＆WILCOX公司也在準備一項研究，擬進行利用噴射沉積技術，制備生產高速鋼復合軋輥。英國國家軋輥制造公司成功利用噴射沉積工藝制造出了組織細小的高速鋼軋輥，其中一些粗大形態的共晶碳化物得到了徹底消除，而且在沉積層和輥芯之間形成了有效的冶金結合，因而在增強軋輥的抗疲勞性能的同時，也使得軋輥的使用年限得到延長。在國際上擁有先進技術的瑞典Sandvik，也利用噴射成形工藝將耐腐蝕性比較高的Ni基Sanicro65合金液噴射沉積到材料成分為鉻鉬鋼的基體表面，隨后用合適的擠壓工藝將其制備成復合管坯，其中合金成分中含鉻為21%，含鉬為85%，基體預熱溫度為1000℃。

圖2 噴射成形復合軋輥制備工藝示意Fig.2 The preparation process schematic diagram of compound roll prepared by spray forming

國內的研究者們也進行了一些研究，而且以對鋼鐵材料方面的研究居多，這其中包括上海鋼鐵研究所的章靖國、孫德生等人，系統地研究了噴射沉積工藝制備高鉻鋼-碳鋼復合軋輥［32］。上海寶鋼技術中心的周燦棟等以一種新型高速鋼軋輥材料為研究對象，采用噴射沉積工藝制備，得到的高速鋼軋輥的顯微組織尺寸小，碳化物彌散在基體中，且對碳化物的種類和形態產生了影響，成分偏析得到有效控制［27］。中國科學院金屬研究所徐映坤、陳桂云、田沖等人，以化學成分為Al-20.3Sn-1.0Cu的合金熔液為研究對象，使用單噴霧化設備和氣體噴射掃描設備將其噴射沉積在已經提前預熱至200℃的材料為08Al鋼板的基體上，隨后將板材在200～230℃之間進行軋制，變形量為50%，并最終得到了沉積層厚度在2.5～3 mm之間的界面結合良好的雙金屬復合板。為了提高基體與沉積層的結合強度，除了進行預熱處理之外，還預先將一層純Al沉積在基體表層上，其厚度約為0.3 mm［33］。中科院金屬研究所后來又繼續研究了通過噴射成形工藝，將成分為Al-6.5Pb-4Si-1Cu-0.5Sn的合金熔液噴射沉積到提前預熱至180～220℃之間且預先沉積一層純鋁的08F鋼帶集體上，隨后通過三輥軋機在300℃下進行軋制，變形量控制在40% ～50%，最終獲得了復合板材［34］。沈陽工業大學與金屬所后來又合作研究了鋁鉛合金/鋼復合板的界面結合強度，研究分析表明對復合板進行退火處理后，其剪切強度為72 MPa，這可能是因為鋁鉛合金與鋼之間形成良好的界面結合，且在鋁基體上均勻散布著尺寸細小的Pb相粒子，退火溫度為320℃，時間為5 h［35］。寧洪龍、傅定發、陳振華等人通過合適的噴射工藝，將Al-4Si合金熔液噴射沉積到20#冷軋低碳鋼板上，獲得鋁/鋼復合板，然后采取多種熱軋工藝對其進行軋制致密化，并對工藝機理進行了初步研究。研究分析表明，熱軋有利于提高鋁/鋼之間的冶金結合，同時細化沉積層的組織，增加強度，且有利于消除界面處的孔隙［36—38］。

哈爾濱工業大學也和當時的上海鋼鐵研究所等單位進行了復合管材的噴射成形技術研究，分析了基體預熱、噴射工藝等對界面結合行為的影響規律［39—40］，圖3為噴射成形獲得的復合管樣品。

圖3 哈爾濱工業大學噴射成形復合管樣品（Al-Zn，Fe-Zn）Fig.3 The photos of spray forming composite tube samples from Harbin Institute of Technology（Al-Zn，Fe-Zn）

2 噴射成形一步法制備雙金屬復合板材的展望

以噴射成形制備鋼鐵材料軋輥技術為基礎，哈爾濱工業大學在雙工位噴射成形霧化技術趨于成熟的條件下，提出了進行雙金屬（Al-12%Si和Al-50%Si）復合板一步法噴射成形的概念，即采用雙工位霧化噴射系統，同時噴射2種不同成分的合金，通過調節2個霧化器噴射合金的成分和霧化錐的疊加面積，可一步式制備具有成分梯度的功能材料，其原理示意圖如圖4所示。德國不萊梅大學的崔成松也以鋼為對象進行了相似的研究，通過模擬和實驗研究了不同碳含量的2種合金的一步式噴射成形，分析了不同噴射工藝對成分梯度的影響［41］，如圖5所示。

圖4 梯度板坯雙工位一步式噴射成形示意圖［41］Fig.4 Schematic of spray forming of a clad deposit from two different molten alloys using two gas atomizers

近期筆者課題組進行了初步的研究，結果表明，采用雙工位霧化一步式噴射成形的復合板材，其內部不同成分區域之間沒有明顯的冶金分界面，取而代之的是一個具有一定梯度的成分過渡區域，該區域的寬窄（梯度尺寸）可以通過調節2個霧化器射流中心距離來實現改變，如圖6所示。

此外，對沉積板的外形輪廓與沉積器間距的關系也進行了初步的研究，結果表明，當沉積器間距不超過30 mm時，板材外形輪廓基本不變，但是當間距為40 mm時，板材出現臺階，產生較小的分界面;但間距增至60 mm時，板材出現明顯的臺階，分層較為嚴重，如圖7所示。

圖5 不同射流中心距離對應的沉積層截面C成分分布（德國不萊梅）［41］Fig.5 The component distribution of C corresponding to different lengths of jet-core region

圖6 兩沉積器之間的距離對Si成分分布的影響Fig.6 The influence of the distance between the two atomizers on the component distribution of Si

然而，梯度材料的一步式噴射成形研究剛剛起步，只是進行了初步的機理和概念性研究，距離應用還有相當的距離。一些基礎性理論問題尚不十分明了，幾點關鍵的科學問題也仍沒有解決。如不同材質共沉積時的熱量、質量傳輸作用規律和凝固行為未予研究;噴射成形工藝參數對成分梯度的形成和分布的影響規律認識不充分，目前還未能制備出成分梯度均勻分布的產品，如何實現對梯度材料的有效致密化;高合金化元素合金梯度材料的溫度敏感性，將明顯影響材料的致密化處理工藝和材料性能?？傊?，梯度功能材料的一步式噴射成形制備技術，在冶金質量控制、成分梯度分布機制與控制、后續致密化等方面，存在工藝基礎的研究空白，深入進行上述方面的基礎研究十分必要。這不但具有完善噴射成形乃至凝固理論的理論意義，更有促進梯度材料應用，提高我國軍事實力的實際應用價值。

圖7 兩沉積器之間的距離對外形輪廓的影響Fig.7 The influence of the distance between the two atomizers on the outline

3 結語

本研究以具有廣泛軍事應用前景的Al-Si合金功能梯度板材為研究對象，針對Si梯度板制備過程中存在的上述科學問題，開展相應的工藝基礎理論研究。以期制備梯度分布均勻、高冶金質量的Al-Si合金梯度板坯;揭示雙工位噴射成形工藝參數對噴射成形板坯內部成分梯度分布的影響規律，建立梯度分布與工藝參數的數據庫;明晰異種霧滴沉積時組織的形成機制;獲得梯度材料的梯度溫度致密化處理方法。最終，形成成分和功能梯度變化板材的噴射成形一體化制備技術，為功能梯度超高硅鋁合金復合板材的應用提供新的工藝理論支撐。

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