[发明专利]一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

现电子装备的微电路组件逐渐向小型轻量化、高工作频率、高功率密度、高集成度和高可靠性方向发展。作为微电路组件的重要组成部分，金属封装壳体起着机械支撑、散热通道、信号传输、芯片和基板保护等重要作用，其要求封装壳体材料必须具备高导热（芯片散热）、低热膨胀系数（与陶瓷基板匹配以减少热应力），优异的气密性（满足组件气密封装要求）、良好的机加工与连接性能。传统的Cu、Al、Ti、Kovar合金、W/Cu等金属材料在热膨胀系数匹配、轻量化和气密焊接等方面已无法满足封装壳体越来越高的使用要求。与传统封装壳体材料相比，Al/(50～75%)SiC复合材料具有热导率高、膨胀系数与GaAs芯片匹配性较好、密度低的优势，在国外获得了批量应用。但是，由于Al/SiC复合材料中陶瓷含量高，焊接工艺性差，基本不能适用熔化焊接技术；且机加工性能也较差，难以满足微电子器件大批量、稳定制造和快速加工的要求。

硅颗粒增强铝基复合材料（40～70wt.%Si/Al）是在过去20年中迅速发展起来的一类功能结构铝基复合材料，是一种理想的轻质电子封装材料，它是由高含量硅颗粒均匀弥散分布在铝基体中形成的颗粒增强铝基复合材料。Si/Al复合材料具有与GaAs器件相匹配的热膨胀系数、高导热率、低密度、合适的刚度，易于精密加工成型，具有熔化焊接和表面涂覆工艺性能，与标准微电子组装工艺相容的特点。上世纪90年代国外已采用喷射成形技术研制了综合性能较好、可激光焊接的Si/Al封装材料。过去10年，国内陆续开展了Si/Al封装材料研究，并申请了多项铝硅电子封装材料及制备工艺的发明专利。

作为微波器件或光电器件的气密封装外壳材料，必须具备良好的熔化焊接性能，如采用标准激光焊接工艺组装成密闭壳体后具有高气密性（GJB548规定He气质谱检测漏气率不超过2×10^-8Pa·m³/s），以满足高效率低成本的组装制造要求和器件高稳定长寿命运行的要求。良好的激光焊接工艺性能和高气密性要求材料自身必须100%致密且内部无微观孔隙，材料组织细小均匀。材料内部孔隙在激光焊接环节中将引发严重的焊接气孔问题，焊接气孔将导致连接强度和封装气密性无法满足要求；还会导致材料力学性能差、组织性能不均匀，易引发应力集中，使壳体零件无法承受机加工、熔化焊接和钎焊等工艺引起的应力和变形，从而对基板和芯片起不到长期有效的机械保护作用。

典型的封装用硅颗粒增强铝基复合材料为中/高体分复合材料，此类材料由于脆性增强颗粒含量高，材料塑性差，基本无法进行热挤压或热锻造变形加工，材料只能依靠制备过程实现组织致密化。因此亟待开发一种适用于轻质低膨胀、可激光焊接、高封装气密性的铝基复合材料的制备方法。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种可激光焊接的铝基复合材料及其制备方法。

一种可激光焊接的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）根据所设计的铝基复合材料的重量，按照铝基复合材料中硅含量为20wt%～60wt%，铝含量为40wt%～80wt%的比例称取硅粉和铝合金粉；

（2）将按照步骤（1）称取的硅粉、铝合金粉和不锈钢球投入锥形混料罐中混料5～40小时，获得均匀的Si-Al粉末混合物；

其中，不锈钢球与Si-Al粉末混合物的重量比为（0.5～3）：1，混料机转速为30～100r/min；

（3）将步骤（2）制得的Si-Al粉末混合物装入橡胶包套中冷等静压制成相对致密度为65%～75%的冷等静压坯锭；

其中，冷等静压的压强为150～200MPa，保压时间为5～30min；

（4）将步骤（3）制备的冷等静压坯锭装入铝包套中进行真空除气处理；

所述的真空除气处理方法如下：在铝包套内部真空值不高于2×10^-2Pa的条件下，加热冷等静压坯锭，使冷等静压坯锭以10～30℃/h的升温速率升温至505～590℃，然后保持505～590℃至少1小时；除气完成后，铝包套封口前，其内部真空值应不高于于2×10^-3Pa，并能保持至少30min；

（5）将经步骤（4）真空除气后的冷等静压坯锭进行热等静压致密化加工处理，得到完全致密的热等静压坯锭；

其中，热等静压处理的温度为505～590℃，压强为100～150MPa，保温时间2～5h；