第1章绪论
低膨胀复合材料作为新材料中的一种，广泛应用于精密仪器设备中，是高精度仪器设备中的关键材料。随着科学技术的迅速发展，高度集成的电子元件、光学器件、微波设备等都需要低膨胀材料来保证尺寸精度，减少温度引起的尺寸波动所引入的仪器误差，涉及航天领域，仪器精度更是至关重要。目前，低热膨胀系数材料多用在一定的环境温度下并且要求尺寸近似恒定的元器件或仪器设备中，已广泛应用于精密仪器、航天、电子封装领域，例如：
（1）精密仪器仪表、光学仪器中的元件，如精密天平的臂、标准杆件的摆杆、摆轮；
（2）长度标尺、大地测量基线尺；
（3）各种谐振腔、微波通信的波导管、标准频率发生器；
（4）航天工业复合材料零件；
（5）电子封装业；
（6）人造卫星、激光、环形激光陀螺仪及其他先进的高科技产品。
常用的低膨胀材料有：因瓦（Invar）合金、负热膨胀材料 ZrW2O8和Cu/ZrW2O8、硅铝合金、SiCp/Al复合材料、碳纤维增强复合材料、非晶态低膨胀合金，其中具有高强度、轻质、低热膨胀系数等性能特点的 SiC颗粒增强铝基复合材料已广泛应用于航空航天、光学仪器、精密电子、武器制导等高新技术领域。
铝硅基复合材料由于具有质量轻（密度小于2.7g/cm3），热膨胀系数低，热传导性能良好，以及强度和刚度高，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊，易于精密机加工、无毒等优越性能，符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向发展的要求。另外，铝和硅在地球上含量都相当丰富，硅粉的制备工艺成熟，成本低廉，因此铝硅合金材料成为一种潜在的具有广阔应用前景的电子封装材料，受到越来越多的重视，特别是在航空航天领域。高硅铝合金封装材料作为轻质电子封装材料，其优点突出表现在：一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计；二是该类材料是飞行器用质量*轻的金属基电子封装材料，具有优异的综合性能；三是可实现低成本要求。
高硅铝合金具有密度小、比强度高、耐磨性能优异和热膨胀系数小等优点，还具有良好的导热性和耐腐蚀性能，在电子、航空领域有很大的应用潜力。近年来，世界各国都开始致力于开发这种轻质、低膨胀的硅基铝合金复合材料，欧盟率先启动了 BRITE/EURAM（BE5095—93）开发项目。在与美国Sprey Metal公司、Alcatel Space公司和GEC-Marconi公司通力合作下，采用喷射沉积研制出了CE系列（controlled expansion，热膨胀系数可控）高硅铝基电子封装材料。其中，含70%Si（质量分数）的 CE7合金热膨胀系数为6.8×10–6K–1，接近Si和GaAs，热导率达120W/（m.K），密度为2.49g/cm3，比纯铝轻近 15%，比强度（53MPa.cm3/g）为Kovar合金（17MPa.cm3/g）的3倍，完全满足电子封装性能要求，已成功地用于航天微波电路的封装。我国台湾的Chien在NSC88-2216-E-008-013基金支持下，采用压力浸渗制备出了高体积分数SiCp/Al电子封装复合材料，其热膨胀系数约为8.4×10–6K–1，密度为2.49g/cm3。
美国用喷射沉积和液体金属熔渗等方法制备了铝含量为30%～70%（质量分数）的硅基铝合金，密度为2.5g/cm3左右，并且具有良好的使用性能和加工性能；英国、美国于20世纪90年代初研发成功的新型高硅铝合金材料是采用先进的喷射沉积生产工艺技术制备的，其硅含量高达30%～50%，密度仅为2.5～2.69g/cm3，热导率为126～160W/（m.K），热膨胀系数为（6.5～13.5）×10–6K–1，该类材料易加工、可钎焊、机加工性能好。目前，技术*成熟的是英国的 Osprey公司。Osprey公司这一典型应用的 CE7硅基铝合金复合材料，硅含量70%，热膨胀系数为7.4×10–6K–1，热导率为120W/（m.K），密度为2.4g/cm3。这些研究工作代表了低膨胀、轻质材料的进展和发展水平，并在航空航天飞行器中得到应用，但大规格板材制备工艺及其导电性未见报道。
1.1 铝硅基电子封装材料
空间电子封装材料包括电子基板、布线、框架、层间基质和密封材料[1-5]。在集成度日益增加的现代电子电路中，电子封装材料必须支撑和保护半导体芯片和电子电路，并且及时散失电子电路在正常工作中产生的热量。为符合现代电子封装基板材料的要求，高硅铝合金材料的制备应向以下方面发展：较高的强度和刚度；较低的热膨胀系数；轻质、低密度；尽可能地减少电子元器件的质量；较高的热导率；较高的气密性；良好的可加工性和焊接性能；制备工艺简单，材料性能稳定可靠，成本低廉。
1.1.1 常用电子封装材料
目前应用于电子封装基板的材料种类很多，包括陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料[1]。国内外常用电子封装材料物理性能指标列于表 1-1。
1.陶瓷
陶瓷具有较高的绝缘性和优异的高频性能，并且满足热膨胀系数和电子元器件相近，化学性能稳定和热导率较高，是电子封装中常用的一种基板材料。目前，已经投入使用的高导热多层片陶瓷基片材料有 SiC、AlN、BN和 BeO等，图 1-1所示为 BN和 BeO陶瓷材料及环氧玻璃基板材料。
2.环氧玻璃材料
环氧玻璃基板材料是由化学处理过的电子用无碱玻璃纤维布为基材，以环氧树脂为黏合剂经热压而成的层压制品。环氧玻璃基板材料是电子电路元器件进行引脚和塑料封装成本*低的一种，这种材料力学性能良好，但导热性能较差。
3.金刚石
从20世纪60年代起，天然金刚石已经作为具有良好散热性能的半导体元器件的封装基板。
4.金属
金属基板因其热导率和力学强度高、加工性能好的优点至今仍是电子封装界继续研发和推广的主要封装材料之一[5]。传统的封装用金属材料有Al、Cu、Mo、W、Invar合金（镍铁合金）和Kovar合金（铁镍钴合金）。
5.金属基复合材料
金属基复合材料综合了各成分的性能特点，弥补了单一金属作为电子封装基板材料的种种缺点。常用于封装基板的金属基复合材料为Cu基、Mg基和Al基复合材料。目前，由于Al基复合材料高强度、低密度的优点，其发展*快并成为研究的主流，Al基复合材料在航空航天工业中主要用来代替中等温度下使用的昂贵的钛合金[6]。
1.1.2 高硅铝合金电子封装材料
在众多铝合金材料中，高硅铝合金具有轻质（密度仅2.5～2.7g/cm3）、热膨胀系数小、导热性能好、强度高、刚度较高等优点，并且可镀性能好、容易与基材焊接，适用于精密场合的加工制造。表 1-2为单质铝和硅的物理性能。
随着高硅铝合金应用领域的不断扩展，发动机活塞、缸体对耐磨性，电子封装材料对低膨胀、高热导率等性能的要求不断提高，科研人员从合金材料的制备和性能改善等方面进行了深入研究。
近几十年来，随着粉末冶金技术、快速成形技术和喷射成形技术的发展，高硅铝合金的制备逐渐摆脱了传统的熔铸方法，并且合金中的硅含量不断提高。
美国、英国在20世纪90年代初期，采用先进的喷射沉积生产工艺技术成功研发出新型高硅铝合金封装材料，其硅含量为30%～50%（质量分数，下同），密度仅为2.5～2.69g/cm3，热膨胀系数为6.5×10–6～13.5×10–6K–1，热导率为126～160W/（m.K），该类材料易于加工、可钎焊、机加工性能好。此外，俄罗斯、法国和德国也有类似报道[7-10]。
1995年，美国的Chen和Chung首次提出采用液体金属熔渗法，使熔融态的铝合金渗入硅粒子构成的网络中，凝固后可得到硅含量高且各向同性、组织细小的硅铝复合材料。目前，英国 Osprey公司采用喷射沉积-热等静压方法制备的CE7高硅铝合金电子封装材料已成功应用于航天微波电路中，该材料内部组织结构均匀，性能较其他材料优越。表1-3为Osprey公司近年来生产的CE合金牌号及性能。
日本住友公司采用粉末冶金方法生产出牌号为CMSHA-240的26%Si-Al材料，该高硅铝合金材料有着理想的综合性能指标，其密度为2.53g/cm3，热膨胀系数为15.4×10–6K–1，热导率为138W/（m.K），并已经实现商品化[11-15]。美国*近采用液体金属熔渗和喷射沉积等方法制备了硅元素含量为30%～70%的硅铝合金电子封装复合材料，其密度为2.5g/cm3左右，具有良好的使用性能且易于成形加工。欧盟设立了由BRITE和EURAM领导的BE25095293协作项目，致力于热膨胀系数小、密度低和热导率高的高硅铝合金材料的研究。
国内一些高校也对高硅铝复合材料做了一些基础的研究。林峰等[16]在研究粉末冶金制备高硅铝合金时提出，在低温液相烧结时，烧结过程中压制压力是烧结体致密度的控制因素；在高温烧结时，粉体颗粒的重排和润湿过程成为主要因素。陈招科[17]指出，配比一定的粉末、压制压力、合适的烧结温度、较长的烧结时间可以获得内部分布均匀、孔隙率低、导热性能良好的粉体烧结复合材料。杨伏良[18]研究表明，增加压制压力可以增强Al-Si体系的润湿反应过程，有效地提高材料的导热性。
1.2 铝硅基复合材料制备技术
1.2.1 高硅铝合金材料的制备方法
有研究表明，在二元Al-Si合金中，增加硅含量可降低合金的热膨胀系数，增加合金的体积稳定性和耐磨性，但是硅元素含量超出一定值后，会产生加工性能变差等新的问题[19]。图1-2为铝硅合金的二元相图。
当铝硅合金中硅元素含量低于12.6% 时，随着含量的增加，合金组织中共晶体的数量会不断增加，铝硅合金的结晶温度范围逐渐变窄，合金的流动性也明显提高；当合金中硅含量达到12.6%时，合金的结晶温度范围*小，此时铝硅合金熔液流动性*好；12.6%为Al-Si合金体系共晶点。当合金中硅含量高于12.6%时，高硅铝合金组织中将出现少量粗大颗粒状的初晶硅。
硅含量再进一步提高时，合金组织中的初晶硅将继续长大，并呈现为粗大的板状晶。板状晶之间的结合力非常弱，导致铝硅合金的力学性能和切削制造性能较差，其延伸率不足 2%，抗拉强度也低于110MPa，使其在制造业中使用价值大大降低[20-22]。
目前，高硅铝合金中硅的含量已从20%提高到70%，硅元素在铝合金中的含量越高，避免初晶硅的长大就越重要。当高硅铝合金中的硅元素含量大于40%时，通过加入变质剂难以有效地细化初晶硅。
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