[发明专利]低热膨胀和高强度AlN-Si-Al混杂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含铝、硅和氮化铝的混杂复合材料及其制备方法，特别涉及一种具有低热膨胀和高强度的AlN-Si-Al混杂复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

铝基复合材料具有比强度高、比刚度高、导热率高、热膨胀系数可调等综合性能优势，因而在宇航、微电子和交通领域获得重要应用。铝基复合材料大多采用碳化硅、氧化铝、硅、氮化铝、碳化硼等颗粒或晶须，以及纤维等作为增强材料。其中，硅是一种轻质、低热膨胀、高强度的理想增强材料；硅的密度(2.33g/cm³)比铝合金低14％，它具有极低的膨胀系数(2.6×10^-6K^-1)、较高的导热率和弹性模量，与其他几种陶瓷增强材料相比硅具有良好的加工制造工艺性能，因此硅铝复合材料(Si/Al)在最近十几年中得到了极大的重视，最具代表性的是以微电子封装为应用背景的低比重、低膨胀、高导热、高硅含量Si/Al复合材料(硅的体积百分含量为40wt.％～75wt.％)，其加工和制备工艺窗口相对较宽，国外已部分实现工程化应用。然而，目前所制备的Si/Al复合材料的综合性能和制造性能仍然难以满足应用需求。热膨胀系数是Si/Al封装复合材料最关键的性能指标之一，以60vol％～70vol％Si/Al为例，其热膨胀系数为7.5～10.5×10^-6ppm/K，但由于材料主要成分为硬脆性硅，以及材料内部不可避免含有缺陷等因素导致材料的机加工工艺性能较差，难以满足小尺寸、薄壁结构电子封装外壳件的精密制造要求；降低硅含量可以提升复合材料的强韧性，改善机加工特性，但复合材料的热膨胀系数随之升高，无法满足封装件的指标要求。

氮化铝(AlN)也是常用的陶瓷增强材料之一，AlN具有高导热、高模量、低膨胀等优势。AlN作为增强材料，其增强增韧和降低铝基材料热膨胀的效果均比Si好，但AlN属于共价键化合物，粉末烧结性能差，与金属铝不润湿，制备高AlN含量的AlN/Al复合材料的难度较大。采用AlN和Si混杂增强的Al基复合材料的热膨胀系数应当低于采用单一Si增强的Al基复合材料，而AlN-Si-Al的密度仅为2.55～2.7g/cm³，明显低于已经获得应用的55％～70％SiC/Al电子封装复合材料；该复合材料的制备和加工工艺性比AlN/Al和SiC/Al良好。制备AlN-Si-Al混杂复合材料是实现先进电子封装材料低比重、低热膨胀和高强度综合性能的新途径之一。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低热膨胀和高强度的AlN-Si-Al混杂复合材料，该材料高度致密、组织均匀。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种低热膨胀和高强度的AlN-Si-Al混杂复合材料，其重量百分比组成为：AlN：10wt.％～25wt.％，Si：40wt.％～45wt.％，Al：30wt.％～50wt.％，其中，AlN和Si作为增强材料以颗粒形式均匀弥散分布在连续的铝基体中，形成AlN颗粒和Si颗粒混杂增强的铝基复合材料。可采用粉末冶金工艺制备，所制得的复合材料具有均匀的微观组织且完全致密。

为了实现复合材料较低的热膨胀系数，AlN和Si增强颗粒的重量百分比之和在50wt.％～70wt.％之间选择；为了保持复合材料良好的机加工性能，AlN的含量不超过30wt.％。

为了选择合理的增强颗粒尺寸来满足复合材料的高强度要求，优选Si颗粒与AlN的颗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颗粒填充到大尺寸的Si颗粒间隙，使得在颗粒总含量确定的情况下，最大程度提高颗粒分散均匀性；优选AlN颗粒平均尺寸在3μm～20μm之间选择，Si颗粒平均尺寸在5μm～50μm之间选择。

在AlN颗粒和Si颗粒的总含量超过50wt.％的情况下，在AlN-Si-Al混合粉末中，Al粉的平均粒度优选不大于Si粉的平均粒度或AlN粉的平均粒度，Al粉的平均粒径在3μm～20μm之间选择。

本发明的另一目的在于提供一种制备工艺，采用这种工艺制备的AlN-Si-Al复合材料具有低热膨胀系数、高强度；所制得的复合材料机加工工艺性能良好，可采用常规机加工手段加工成含有薄壁、小孔等结构的微电子封装件。