工艺参数对高硅铝合金cmt组织与性能的影响(附件)【字数：12950】
摘 要摘 要 随着微电子行业的行业的快速发展，对封装材料要求也越来越高，而高硅铝合金的高热导率、低膨胀系数等均较符合其要求；本文主要对Al-30Si合金的CMT焊接性能包括焊缝成型、硬度、气密性等进行分析。 首先我们对所用的试验材料进行了拉伸试验，结果表明Al-30Si合金的延伸率仅有3.8%左右，为典型的脆性材料；其次我们对试样用不同的焊接参数进行CMT堆焊试验，分别以不同的焊接速度和送丝速度进行并将焊接后的焊缝制成金相试样进行显微观察气孔和焊缝熔宽、余高、熔深和余高的测量和分析，结果表明经过CMT焊接的Al-30Si合金有较多的气孔且气孔随着焊接速度的增大而减少，同时通过对焊缝宏观参数的分析发现送丝速度在3.0m/min-3.9m/min左右时焊接能得到比较好的焊缝成型，其中在送丝速度3.0m/min，焊接速度为500mm/min的时候焊料具有最好的铺展，形成较美观且气孔较少的焊缝；最后我们对试样进行硬度的测量，分别对焊缝中心和热影响区的硬度进行了测量，研究不同的焊接参数对于焊缝中心和焊接热影响区的硬度的影响，结果表明，焊缝中心的硬度随着送丝速度的提高而降低，而热影响区的硬度随着焊接速度的加快、送丝速度的减慢而增大。 综上所述，对于Al-30Si合金的CMT焊接在送丝速度为3.0m/min、焊接速度为500mm/min左右能形成气密性较好的焊缝。关键字高硅铝合金；CMT焊接；焊缝气孔；送丝速度；焊接速度
Keywords:High silicon aluminum alloy;CMT welding; weld porosity; wire feed speed; welding speed 目录
第一章 绪论 1
1.1背景 1
1.2高硅铝合金的制备方法 2
1.3高硅铝合金的性能 4
1.4国内外的研究概况 6
1.5硅铝合金现代焊接方法 6
1.5.1钎焊 7
1.5.2激光焊接 8
1.5.3电子束焊接 8
1.5.4搅拌摩擦焊 9
1.5.5扩散焊 9
1.5.6 CMT焊 9
1.6 本课题主要研究内容 11
第二章 试验材料、设备及工 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
作原理 13
2.1 试验材料 13
2.2 试验设备及工作原理 13
第三章 实验分析 18
3.1 对试样拉伸试验的分析 18
3.2、CMT焊接的焊缝的形貌的分析 19
3.3、焊缝气孔的分析 27
3.3.1采用Matlab分析气孔率的方法 28
3.4、焊接参数对焊缝硬度的影响 30
3.5、本章小结 33
第四章 结论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1背景
随着时代的发展，现代电子信息技术对于我们来说越来越重要，对于电子信息技术的发展也越来越快，电子行业的方向是向大规模电路集成化、器件小型化、芯片高效率和仪器高可靠性的方向去发展。从半导体的发展，包括晶圆的制造等也不在遵循摩尔定律，将微电子中的线路做到更小显得更加困难，这使得电子行业的专家们开始着手于在封装上找到突破口，以满足目前我们对于便捷、高效电子芯片的要求。
电子封装的发展一方面需完善封装的工艺，另一方面电子封装材料也是发展的必要条件。这些材料不仅要求有很好的传导热量的功能、传递信号的功能、连接电路的功能、保护器件的功能、密封的功能、性能稳定的功能、机械支撑的功能等这些对芯片中的电路的性能及可靠性有非常重要的影响。现如今由于器件越做越小，封装形式也越来越趋于系统级封装，对于整个系统来说处理的数据也越来越多，电路越来越复杂，器件的发热量大便成了很关键的问题。发热过大且没有及时散发出去很容易导致器件的失效乃至整个仪器的故障，其中单个元器件发生的失效的概率和这个器件所处环境工作温度成指数的关系，功能则成反比的关系，这使得在电子封装中散热的效率显得尤为重要。所以对于适合电子封装用的材料的开发是有十分迫切的需要的。在这方面的研究中，高硅铝合金材料不仅拥有这非常适合于电子封装的一些物理性能，并且硅、铝的在地球上面非常多，同时这种材料在回收时也较方便，且成本较低，也不存在污染的性质，这对于推动高硅铝合金的发展有着天然的优势。
高硅铝合金之所以能作为电子电子封装材料原因在于拥有如下几点特点：合金组织均匀、性能优良、其具有较低的热膨胀系数，能和半导体电子原器件和芯片等完美匹配，防止在热交替过程中热胀冷缩的不一致影响电子器件的工作[1]。密度也较小，其轻质的属性不论是在电子产品例如手机等的封装和航天航空电子领域都有着非常合适的属性。
1.2高硅铝合金的制备方法
传统的制备高硅铝合金的方法有熔炼铸造法、快速凝固粉末冶金法等，制备性能优良的高硅铝合金目前基本采用的是喷射成型法来制备。
熔炼铸造法
这是制造大多数的合金中运用最为多的方法，由于其所需要的设备、技术要求比较低，适用于产业化的生产；对于运用此方法生产高硅铝合金材料，因为容易导致粗大硅晶粒的出现故而对于控制其晶粒的大小要求便比较重要，同时也是限制生产更高性能的硅铝合金的因素。
快速凝固粉末冶金法
与常规的熔炼铸造法相比，快速凝固粉末冶金法有更快的冷却速度，合金在凝固的时候有较铸造法更大的过冷度，而过冷度较大易于晶核的产生，所以在凝固中可以产生更多的晶核而能起到细化硅晶粒和细化组织的效果；这一方法在90年代的时候发展到了最顶峰，全球许许多多的国家都投入到这一领域的研究中，但是获得的硅含量仍然处在30%40%左右。
喷射成型法
喷射成型法是一种综合了快速冷凝技术、半固态加工和近终形加工技术为一体的工艺。其中基本原理如下：将合金在电磁感应炉中加热至高温，呈熔体态，熔体经过感应炉的导流管流出后预先设置的被高压、高动量的惰性气体冲击，破碎雾化成一定颗粒细小固态、半固态和液态颗粒分布的射流,射流在高速气体的作用下沿喷嘴轴线旋转的接收基板运动，并与气流之间进行热交换冷却,再在基板上快速冷却，在其表面附着、堆积、铺展、融合并凝固得到所需的喷射成型胚体，所得胚体的组织致密细小[2]。
传统方法所制备的高硅铝合金易形成粗大块状或者板条状初晶硅相和针状共晶组织，硅相在基体中的分布也极不均匀。硅相本身脆性较大，导致粗大的硅相在后续的加工处理中易产生细小的裂纹，在服役过程中扩展称为宽的裂纹，因此粗大硅相的存在导致材料的力学性能较差，并且随着合金总硅含量的增大，这一现象更为明显，同时传统的制造工艺本身存在着局限，很难制备出硅含量较高的硅铝合金。故传统制备的这些缺陷使得这一材料的运用不是很广泛。因此，要想制备出性能较优良的硅铝合金，就得试图去通过人为的调整以改变合金中硅和铝两项的分布状态、形态、硅相的大小等才能够满足于目前对电子封装材料的要求。在过去的时间里，利用先进的技术去带动新型材料的发展也是数不胜数，新型的材料又同时推动着技术和设备的发展，因此研究出制备高硅铝合金的工艺技术和设备已成为了世界材料领域的研究热点。国外公司Osprey首先使用喷射成型法制备出了高硅铝合金，这打破了原先传统制备的限制，制得试样如图11。喷射沉积所用工艺流程适度降低了硅铝合金的生产成本，同时也显著减小了高硅铝合金材料中晶粒的尺寸，特别是硅晶粒的尺寸。又细化了其微观组织，能够很好的减少偏析的出现并能保证制备的合金纯度高等优点。这就解决了在传统制备工艺（如熔炼冶金、快速凝固粉末冶金）下无法获得的理想成分、组织、结构和性能的高硅铝合金的一些问题。喷射成型所得的高硅铝合金和传统铸造成型所得的合金微观组织的对比如图12，可以看到喷射成型所生产的高硅铝合金在晶粒和硅相方面明显较传统的方法所制备的高硅铝合金均匀细小。
Keywords:High silicon aluminum alloy;CMT welding; weld porosity; wire feed speed; welding speed 目录
第一章 绪论 1
1.1背景 1
1.2高硅铝合金的制备方法 2
1.3高硅铝合金的性能 4
1.4国内外的研究概况 6
1.5硅铝合金现代焊接方法 6
1.5.1钎焊 7
1.5.2激光焊接 8
1.5.3电子束焊接 8
1.5.4搅拌摩擦焊 9
1.5.5扩散焊 9
1.5.6 CMT焊 9
1.6 本课题主要研究内容 11
第二章 试验材料、设备及工 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
作原理 13
2.1 试验材料 13
2.2 试验设备及工作原理 13
第三章 实验分析 18
3.1 对试样拉伸试验的分析 18
3.2、CMT焊接的焊缝的形貌的分析 19
3.3、焊缝气孔的分析 27
3.3.1采用Matlab分析气孔率的方法 28
3.4、焊接参数对焊缝硬度的影响 30
3.5、本章小结 33
第四章 结论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1背景
随着时代的发展，现代电子信息技术对于我们来说越来越重要，对于电子信息技术的发展也越来越快，电子行业的方向是向大规模电路集成化、器件小型化、芯片高效率和仪器高可靠性的方向去发展。从半导体的发展，包括晶圆的制造等也不在遵循摩尔定律，将微电子中的线路做到更小显得更加困难，这使得电子行业的专家们开始着手于在封装上找到突破口，以满足目前我们对于便捷、高效电子芯片的要求。
电子封装的发展一方面需完善封装的工艺，另一方面电子封装材料也是发展的必要条件。这些材料不仅要求有很好的传导热量的功能、传递信号的功能、连接电路的功能、保护器件的功能、密封的功能、性能稳定的功能、机械支撑的功能等这些对芯片中的电路的性能及可靠性有非常重要的影响。现如今由于器件越做越小，封装形式也越来越趋于系统级封装，对于整个系统来说处理的数据也越来越多，电路越来越复杂，器件的发热量大便成了很关键的问题。发热过大且没有及时散发出去很容易导致器件的失效乃至整个仪器的故障，其中单个元器件发生的失效的概率和这个器件所处环境工作温度成指数的关系，功能则成反比的关系，这使得在电子封装中散热的效率显得尤为重要。所以对于适合电子封装用的材料的开发是有十分迫切的需要的。在这方面的研究中，高硅铝合金材料不仅拥有这非常适合于电子封装的一些物理性能，并且硅、铝的在地球上面非常多，同时这种材料在回收时也较方便，且成本较低，也不存在污染的性质，这对于推动高硅铝合金的发展有着天然的优势。
高硅铝合金之所以能作为电子电子封装材料原因在于拥有如下几点特点：合金组织均匀、性能优良、其具有较低的热膨胀系数，能和半导体电子原器件和芯片等完美匹配，防止在热交替过程中热胀冷缩的不一致影响电子器件的工作[1]。密度也较小，其轻质的属性不论是在电子产品例如手机等的封装和航天航空电子领域都有着非常合适的属性。
1.2高硅铝合金的制备方法
传统的制备高硅铝合金的方法有熔炼铸造法、快速凝固粉末冶金法等，制备性能优良的高硅铝合金目前基本采用的是喷射成型法来制备。
熔炼铸造法
这是制造大多数的合金中运用最为多的方法，由于其所需要的设备、技术要求比较低，适用于产业化的生产；对于运用此方法生产高硅铝合金材料，因为容易导致粗大硅晶粒的出现故而对于控制其晶粒的大小要求便比较重要，同时也是限制生产更高性能的硅铝合金的因素。
快速凝固粉末冶金法
与常规的熔炼铸造法相比，快速凝固粉末冶金法有更快的冷却速度，合金在凝固的时候有较铸造法更大的过冷度，而过冷度较大易于晶核的产生，所以在凝固中可以产生更多的晶核而能起到细化硅晶粒和细化组织的效果；这一方法在90年代的时候发展到了最顶峰，全球许许多多的国家都投入到这一领域的研究中，但是获得的硅含量仍然处在30%40%左右。
喷射成型法
喷射成型法是一种综合了快速冷凝技术、半固态加工和近终形加工技术为一体的工艺。其中基本原理如下：将合金在电磁感应炉中加热至高温，呈熔体态，熔体经过感应炉的导流管流出后预先设置的被高压、高动量的惰性气体冲击，破碎雾化成一定颗粒细小固态、半固态和液态颗粒分布的射流,射流在高速气体的作用下沿喷嘴轴线旋转的接收基板运动，并与气流之间进行热交换冷却,再在基板上快速冷却，在其表面附着、堆积、铺展、融合并凝固得到所需的喷射成型胚体，所得胚体的组织致密细小[2]。
传统方法所制备的高硅铝合金易形成粗大块状或者板条状初晶硅相和针状共晶组织，硅相在基体中的分布也极不均匀。硅相本身脆性较大，导致粗大的硅相在后续的加工处理中易产生细小的裂纹，在服役过程中扩展称为宽的裂纹，因此粗大硅相的存在导致材料的力学性能较差，并且随着合金总硅含量的增大，这一现象更为明显，同时传统的制造工艺本身存在着局限，很难制备出硅含量较高的硅铝合金。故传统制备的这些缺陷使得这一材料的运用不是很广泛。因此，要想制备出性能较优良的硅铝合金，就得试图去通过人为的调整以改变合金中硅和铝两项的分布状态、形态、硅相的大小等才能够满足于目前对电子封装材料的要求。在过去的时间里，利用先进的技术去带动新型材料的发展也是数不胜数，新型的材料又同时推动着技术和设备的发展，因此研究出制备高硅铝合金的工艺技术和设备已成为了世界材料领域的研究热点。国外公司Osprey首先使用喷射成型法制备出了高硅铝合金，这打破了原先传统制备的限制，制得试样如图11。喷射沉积所用工艺流程适度降低了硅铝合金的生产成本，同时也显著减小了高硅铝合金材料中晶粒的尺寸，特别是硅晶粒的尺寸。又细化了其微观组织，能够很好的减少偏析的出现并能保证制备的合金纯度高等优点。这就解决了在传统制备工艺（如熔炼冶金、快速凝固粉末冶金）下无法获得的理想成分、组织、结构和性能的高硅铝合金的一些问题。喷射成型所得的高硅铝合金和传统铸造成型所得的合金微观组织的对比如图12，可以看到喷射成型所生产的高硅铝合金在晶粒和硅相方面明显较传统的方法所制备的高硅铝合金均匀细小。
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