吴树森，刘金，熊歆晨，吕书林

（1．中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；2哗中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）

摘要：封装基板等电子元器件要求材料同时具有高导热性和低膨胀性。本文研究了压铸成形对所开发的高导热低膨胀高硅铝合金(Al-20SiÆu-Mg)组织、力学性能和热物理性能的影响。结果表明：与传统重力铸造相比，压铸成形的共晶硅相更细化，合金组织更佳均匀，铸态抗拉强度提高至192.4MPa，在25-150 ℃ 区间内，平均热膨胀系数为17.05 × 10(-6)C(-1)，下降约3.54％，而平均热导率提高到146 w/(m·K)，平均提升约17.5％。

关键词： 高硅铝合金 ; 压铸成形; 抗拉强度; 热物理性能

1前言

高硅含量（18％-26％）的过共晶Al-Si合金，具有密度低、强度高、耐磨性好、优良的抗腐蚀性能和低廉的成本等优点，不仅可用来制造汽车活塞和刹车盘等零件，还可替代灰铸铁，应用于发动机缸体缸盖和排气管等。同时，铝基体良好的导热性能（入=236W/（m·K)）和第二相硅极低的热膨胀系数（ɑ：4.2 × 10(-6)·K（-1）)，均表明高硅铝合金可用于制备电子产品外壳、功放底板和散热基板等电子封装产品。过去通常采用Al-Mg-Si系变形铝合金来生产这类零部件，利用挤压或轧制成板材，通过机加工成所需零部件，整个工艺流程周期长，效率低，成本高，越来越难以满足大批量的生产要求.

压力铸造是在高压作用下，使金属熔体以较高的速度充填压铸模具型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的技术，具有很高的生产效率，易于实现薄壁铸件的良好充型，能够制造形状复杂、轮廓清晰的中小型铸件，得到的铸件具有晶粒细小、组织均匀、尺寸精度高、力学性能好等优点。

然而，J. K. Chen等【5．6】指出，压铸成形得到的Al-Si-Cu/Fe/Zn亚共晶铝硅合金，其热导率比重力铸造下降低约16.6-32.6 w/ (m·K)，这是由于硅相的尺寸发生了变化，且压铸过程会导致较高的孔隙率。Choi等也认为，提高合金凝固时的冷却速率，会导致Al-9. 7Si-0.7Cu-0.4Mg合金的热导率下降。

因此，本文基于前期制备的Al-20Si-Cu-Mg合金，探究了压力铸造对高导热低膨胀高硅铝合金组织及性能的影响。

2实验材料与方法

本实验所用原材料为：A00号纯铝（99.8％，质量分数，下同），纯铜（99.99％），纯镁（99.99％）， Al-24.5%Si中间合金，配制成Al-20%Si-Cu-Mg合金.

熔炼设备为坩埚电阻炉，压铸设备为卧式冷室压铸机。在电阻炉内于830-840 ℃加热熔化纯Al、Al-24.5Si中间合金及纯Mg，经精炼扒渣，进行p变质处理，保温一定时间后，重力浇注到预热温度为200 ℃的铸铁拉伸试样模具中，试棒尺寸如图1a所示。如果是压铸成形，则利用630吨卧式冷室压铸机普通压铸条件下压铸成284x48x5mm的板件 （厚度5mm） ， 示意图如图1b所示。

重力铸造试棒真接测试拉伸性能 ：压铸试样从压铸板件上线切割出板状拉伸试样，厚度保持5mm。在AG-IC100kN材料万能试验机上进行抗拉强度及伸长率的测量。分别在两种试样的合适部位取样，经磨样、 抛光和腐蚀后，在 Axiovert 200MAT金相显微镜上进行观察。 在LEA-427型号激光导热分析仪上测量热导率。 在DIL402C设备上测定材料的热膨胀系数。 用 XRD-7000X射线衍射仪对合金粉末进行物相分析。

3结果与讨论

3.1成形工艺对合金材料组织和力学性能的影响

图2 不同铸造方式下合金的金相组织 (a) 重力铸造 (b) 压力铸造

图2所示为在两种成形工艺下合金材料的金相组织。 在经过P变质之后，两种成形工艺下合金组织中的初晶硅尺寸均不足30um, 平均晶粒尺寸约为25 um且相差不大 ，初晶硅形貌较为圆润，内部无明显空洞，颗粒分布也较为均匀 ：而压铸工艺对共晶硅的形貌有十分显著的影响 ，左图中重力铸造试样共晶硅相为针状相或短杆状 ，但在压铸成形中 （图2b）， 共晶硅相呈成细小颗粒 ，分布于晶界。

表1为不同铸造方式下高硅铝合金的力学性能。可以看出，压铸成形后合金材料的抗拉强度得到提升，而伸长率略有所下降，原因也正是压铸成形对合金材料微观组织形貌的改善作用，特别是共晶硅的形貌，而伸长率有所下降，则可能是由于压铸快速充型过程中卷气导致铸件内部缺陷等原因。

3.2成形工艺对合金材料热膨胀性能的影响

图3所示为两种铸造方式下合金的热膨胀系数(CTE)曲线。由图中曲线可以明显看出，随着温度的升高，两者表现出相似的规律，即：在较低温度下，热膨胀系数随温度升高呈线性增加，且增加速率较快：而随着温度继续升高，热膨胀系数增加的幅度有所下降。

对上述变化趋势的解释是，在接近室温的时候，合金的基体变形程度不大，未超过弹性限度，因此，整体的热膨胀行为表现为基体和增强相的协同作用，故热膨胀系数可认为是均匀增长；而当温度上升比较明显时，由于两相热膨胀系数的差异，Al基体不仅发生了弹性变形，还有一部分塑性变形，此时，基体中分布着的硬质Si相则会阻碍基体的膨胀行为，因此热膨胀系数增长放缓。

己有文献指出[8]，随着温度升高，Al基体晶格膨胀，热膨胀系数变大。但温度升高，Si在Al 中的固溶度也会增加，更多的Si原子进入基体中形成间隙固溶体，由于Si原子的半径较小，因此会导致a -Al的晶格常数减小，从而减缓了热膨胀系数的增长趋势。此外，在常温下，合金材料各质点均在平衡位置振动，同时存在着斥力与引力，随着升温的过程，基体中质点的振动幅度变大，质点所受应力会由拉应力转变为压应力，热膨胀行为也因此受到限制。因此，虽然高温下热膨胀系数依然增加，但上升幅度逐渐放缓。

同时也可以看出，压铸成形下合金材料的热膨胀系数有所下降，在25-150 ℃区间内，其平均热膨胀系从重力铸造的17.68× 10（-6）℃（-1）减小到压力铸造下的17.05 × 10（-6）℃（-1）'，下降约3．54％。究其原因 ，纯 Si 的热膨胀系数仅为 4.2× 10（-6）℃（-1）在受热膨胀时变形程度小，在 Al 基体中充当硬质点，抵抗合金的热膨胀行为 ，虽然一般认为初晶相的尺寸、 分布和形貌是主导因素 ， 但共晶硅相的存在也起到不可忽视作用， 图2 (b) 中共晶硅分布更加弥散， 将 ɑ -Al 基体分隔得更加明显 ， 使其在热膨胀过程中受到更大的阻力。

3.3成形工艺对合金材料导热性能的影响

在实际测量中，利用激光导热分析仪测出的是热扩散率 a利用以下关系式来计算材料的辅热率λ=aρC

式中 ： a表示合金材料的热扩散率 ， ρ表示合金材料的密度 ，C表示合金材料的比热容。两种铸造方式下合金的热导率曲线如图 4所示。

图 4可以看出 ，合金材料热导率随温度升高而逐渐下降， 在25 ℃-150 ℃区间 ，合金重力铸态下的热导率不超过126 w/ (m·K)，而在压铸成形条件下，合金的热导率最高达到150 w/ (m· K) 左右，整体提升了约16-24 w/ (m• K),各温度下热导率平均升高约17.5％。

热传导的过程实质是材料内部能量传递的过程。在固体材料中，能量传递的载体主要是自由电子及声子（晶格振动的格波）。即导热系数可以写成

λ=λa+λb

式中，ρe表示电子热导率，ρa表示声子热导率。

由于金属材料中自由电子占主导地位，因此人们在研究时发现一个引人注目的规律：在一定温度下，金属材料的热导率与电导率之比值λ/ 0几乎相同，且不随金属的不同而改变。此规律被称为魏德曼一弗兰兹(widemann-franz)定律此比例系数被称为洛伦兹常数L即

合金材料中，同时存在着两种传热方式，其中基体金属主要以电子导热的方式传热，如果第二相为非金属元素，则还有一定程度的声子导热的存在。

图4的结果似乎与某些文献的结果不一致，即通常凝固速度快时热导率会下降，压铸成形的冷却速度一般比重力铸造快，晶粒细小。一般认为冷却速度快使热导率降低的原因有：一是微观组织晶粒细小，使得晶界面积增大，电子和声子在运动中更容易被散热，不利于热量的传递：再者，Si原子小于Al原子，两者间形成间隙固溶体，会破坏原来的晶格完整，使晶格常数下降，而晶格畸变的程度则会影响电子通过和声子传导的难度，畸变程度越高，热传导过程就越难。

根据图4的结果，压铸合金比重力铸造的热导率高的原因可以解释为，一是本研宄的合金成分为高硅铝合金，与文献的亚共晶铝合金的成分差别较大。压铸成形时过共晶铝硅合金的初晶Si更细小，减小了初晶Si对热传导的不利影响。二是该合金在压铸成形时与重力铸造的晶格常数差别很小。

图5所示为两种成形工艺下合金的x-ray衍射图。由布拉格方程：2dsinθ=nλ。x射线的波长不变，当θ角向右偏移时，sinθ值变大，因此晶面间距d的值减小，即晶格常数变小。由图5可知，相比重力铸造而言，压力铸造的Al基体x-ray衍射的主峰几乎重合，发生了向右很小幅度的偏移，即晶格常数变化很小。这主要是因为压铸成形板厚5mm，与重力铸造试样的直径mm相差并不大，其 冷却速度并未相差特别大。实际生产中，为了减弱过饱和固溶原子的影响，可以考虑采取适当的人工时效热处理。

第三个因素可能是杂质元素的差别。 用直读光谱仪测量发现，在两次实验过程中，两种铸件中杂质Fe含量有不小差别，重力铸造时使用了铸铁坩埚等原因，合金中Fe含量达0.404％，而压铸时熔化采用的是石墨坩埚 ，合金Fe含量仅为0.170％， 据文献报道，过渡族元素对合金热导率的负面影响极其严重。因此在重力铸造时杂质元素的消极作用不容忽视。

4结论

（1）高导热低膨胀高硅铝合金通过压铸成形时，共晶硅比重力铸造成形时明显细化，抗拉强度提升至1192.4MPa，而塑性略有下降。

（2）合金材料在较低温度下，热膨胀数随温度升高呈线性增加，且增加速率较快；而随着温度继续升高，热膨胀系数增加的幅度有所下降。压铸成形的平均热膨胀系数为17.05 × 10（-6）℃ -1，比重力铸造下降约3.54％。

（3）压铸成形合金的平均热导率提高到146 w/(m·K)，平均提升约17.5％。