[发明专利]一种高导热低膨胀变形铝合金及其制备方法

说明书

本发明属于变形铝合金的技术领域，公开了一种高导热低膨胀变形铝合金及其制备方法。所述变形铝合金，包含以下按质量百分比计成分：Fe 1.5～2.5％，Ni 1.0～2.0％，Yb 0～0.5％，Mg 0～0.5％，余量为Al；Yb，Mg不同时为0；变形铝合金是将熔体进行机械振动铸造得到；或者机械振动铸造完后，退火处理，轧制形变处理得到。本发明还公开了变形铝合金的制备方法。本发明采用Yb和/或Mg复合变质以及振动铸造改善合金微观组织形貌，实现合金导热性能、热膨胀系数和力学性能的多目标平衡优化。本发明变形铝合金具有高导热性、低膨胀性以及高力学性能。

技术领域

本发明涉及变形铝合金技术领域，具体涉及一种高导热低膨胀，并兼具较高强度的变形铝合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着大规模集成电路技术的迅速发展，电子封装领域对基板的导热和热膨胀性能提出更高的要求。由于芯片的热膨胀系数低，因温度升高直接导致电子器件与基板之间易于热失配导致热应力增大，使得器件工作性能急剧退化。因此，要求封装材料具有较高的导热性能和较低的热膨胀系数，才能确保器件高效安全稳定使用。目前，氧化铝陶瓷以其热膨胀系数低、化学性能稳定、原料来源广且无毒等特点，常用作电子封装基板的热沉材料，但因导热率相对较低(20W/(m·K))限制其在高功率电子器件上的应用。表面经过阳极氧化处理的金属铝具有优异的导热性能(230W/(m·K))，但其热膨胀系数过高(CTE23.6×10^-6K^-1(@100℃))，封接应力相对较大容易导致半导体元器件的损坏。如何设计并开发一种兼具高导热和低膨胀系数的铝合金是非常关键的问题。

中国发明专利CN105734333A公开了一种导热石墨/低硅/铝基复合材料及其制备方法。该专利通过石墨掺杂硅粉、造孔剂获得多孔预制件，采用真空气压浸渗下制备石墨体积分数为39～81％和硅体积分数为1～10％的铝基复合材料，该铝基复合材料的导热率最高可达355W/(m·K)，致密度为97％，增强体与铝基界面结合均匀致密，在高功率密度的电子和微电子器件领域具有极大的应用前景。但该铝基复合材料的工艺流程相对复杂，制备成本相对较高，限制其在要求成本相对低廉的民用高功率电子元器件的大批量应用。

中国发明专利申请CN112626391A公开了一种低硅高导热压铸铝合金及其制备方法。该申请通过控制Si含量为1.5～3％，Fe为0.4～1.3％，Sr为0～1％，RE为0～1％，最优成分合金的导热率和抗拉强度分别可达205W/(m·K)和228MPa，且具备较佳的压铸工艺性。然而该合金的第二相体积分数相对较小，可以预见其热膨胀系数相对较高，难以满足高功率半导体元器件对封装材料热膨胀性能的要求。

中国发明专利申请CN101503773A公开了一种耐热低膨胀高硅铝合金及其制备技术，应用于汽车发动机周边材料，该高硅铝合金的元素组成为Si：18～25％，Cu：1.0～2.5％，Ni：0.5～25％，Mn：0.3～0.6％，Mg：0.2～0.8％，RE：0.3～1.0％，P 0.006～0.04％，余量为Al。该技术通过P和RE分别变质初生Si和共晶Si相，实现耐热低膨胀铝合金的制备，其最佳热膨胀系数为17.2×10^-6K^-1(@100℃)。然而，Si元素对铝合金导热性能影响相对较大，该合金导热性能难以满足当前高功耗器件对封装材料散热性能的要求。

上述部分专利技术分别涉及了铝基复合材料、高导热压铸铝合金以及高硅铝合金，这些合金难以同时实现导热性能、热膨胀系数和制备成本的相互平衡，无法满足当前电子器件背景下，对封装材料导热率和热膨胀性能的要求，限制这些合金在高功耗半导体器件的工业应用范围。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高导热低膨胀变形铝合金及其制备方法。本发明以Al-Fe-Ni合金为基础，基于Yb和Mg元素变质以及振动铸造，调控合金组织(α-Al+Al₉FeNi)的形貌及其分布，实现了合金导热率、热膨胀和力学性能的多目标平衡优化，并对热处理后的合金进行轧制变形，进一步改善了合金的综合性能。