背景技术

随着如今集成电路的集成度迅猛增加，导致芯片的发热量急剧上升，芯片寿命也相应下降了许多。这主要是因为在微电子集成电路和大功率整流器件中，材料之间热膨胀系数的不匹配引起的局部热应力以及散热性能不佳，致使电子元器件发生热疲劳从而失效，而合理的电子封装则是解决这个难题的有效途径。用于封装的壳体一般起着固定、密封、散热和保护芯片的作用，因此制造电子封装壳体的材料需要具备低热膨胀系数、高热导率、高强度和刚度等特点，而且在某些特殊应用领域特别是航空航天领域还要求壳体材料的密度尽可能小，以减轻整体重量。

颗粒增强铝基复合材料是由纯铝或铝合金基体和各类陶瓷颗粒增强相复合而成的，高体积百分比的复合材料既能保留金属良好的导热性又能获得可调的热膨胀系数，同时还能满足电子封装壳体其他性能的需求，因而在电子封装领域有着极大的应用前景，代表着新型轻质封装材料的发展方向。但高体积分数的颗粒增强铝基复合材料也有一些制约其发展的劣势，例如：成本相对较高、二次加工困难(特别是塑性成形)等。因此，开发一种短流程、近终成形且易于控制的材料成形工艺来制造铝基复合材料电子封装壳体将是一项具有挑战性和创造性的工作，并有着极大的理论意义和实用价值。

在20世纪70年代初，美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发了一种介于液态金属铸造和固态金属塑性加工的先进金属成形方法，既半固态加工技术(Semi-SolidProcessing,简称SSP)。Flemings教授的研究表明，在金属凝固时施加剧烈的搅拌，能够抑制晶粒的长大，并使枝晶破碎，从而形成细小、均匀的近球状微观组织，得到一种液态金属母液中悬浮着一定颗粒状固相组分的固液混合浆料，此时半固态浆料具有优良的流变性和触变性。目前研究者们认为半固态枝晶球化行为主要与以下各类机制有关：

(1)枝晶断裂机制。在强力搅拌下产生的切应力使晶粒之间相互碰撞，导致枝晶臂发生断裂(通常断裂处位于枝晶臂根部)，这些断裂的枝晶能够起到促进形核抑制晶粒长大的作用，进而形成许多细小晶粒。随着温度的降低，这些蔷薇状小晶粒逐渐演变为近球状结构。

(2)枝晶熔断机制。由于剧烈搅拌加速了熔体的流动，从而引发热振动和局部热应力，这使得尺寸较长的枝晶臂根部更容易被热流熔断。这是因为枝晶臂根部固相中的溶质质量分数更高从而降低了熔点，同时枝晶臂根部的直径比起其他部位更小一些，所以在热扰动的作用下枝晶臂根部优先发生熔断，被热流带入到熔体中的枝晶碎片将作为晶体形核的基底促使晶粒逐渐转变为近球状。

(3)枝晶弯曲机制。枝晶在流动应力下将发生弯曲，产生位错导致塑性变形。在固相线以上的温度，位错间发生攀移相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差超过20°，且晶粒晶界能超过固液界面能的两倍时，液相将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，从而使枝晶臂与主干分离开。同样，分离的枝晶能起到促进晶粒球化的作用。

(4)晶粒漂移、混合—抑制机制。而还有一些研究者认为，在固—液两相区，搅拌是难以使枝晶发生断裂的，至少枝晶断裂并不是晶粒球化的主要因素。他们提出，混合和对流会引起晶粒漂移，极大地增加了非均质形核率，从而细化了晶粒。在晶粒的长大过程中，强烈的混合对流又极大地改善了熔体的传质传热过程，对晶体的生长起到很大的抑制作用，同时晶粒各个方向的传质传热条件也趋于一致，晶体的生长形态得以改变，最终晶粒变得圆整化。

与传统枝晶凝固模式相比，由于半固态浆料或坯料中球状晶组织的存在，因此在加工时受到的变形抗力更小，可以成形塑性加工性能较差的金属材料；相对液态铸造成形温度更低，浆料或坯料对模具的热流冲击小，模具使用寿命相应得以延长；由半固态加工生产的制件微观组织均匀，内部空洞、缩松等缺陷少，表面质量好。更重要的是，半固态加工技术是一种近终成形技术，能够减少材料的浪费，缩短生产流程，进而节约生产成本。

自半固态加工技术的提出以来，人们对该技术的认识越来越深入，在实验研究和数值模拟等方面都取得了很大的进展。在20世纪90年代，一些发达国家的半固态行业就逐渐向工程化应用化进军。1994年，美国Alumax Engineered Metal Processes(AEMP)公司建立起全球首家半固体模锻铝合金汽车轮毂厂，这标志着半固态加工技术由实验研究开始向工程化的转变，该厂发展到1996年时其年产率就已达到5000万件。继Alumax公司之后，HMM(Hot Metal Molding)、Lindberg Corporation、CML international和Formcast等公司也先后采用半固态成形技术来生产铝合金和镁合金零件。在欧洲，意大利则是最早将半固态加工技术最早商业化的国家之一。意大利的Stampal-SPA公司能生产直径100mm左右、长度达4m的圆坯锭，并利用半固态触变成形技术为Ford汽车公司生产发动机油料注射挡块、齿轮箱盖和摇臂等零件，该公司生产的半固态铝合金汽车后悬挂架左右支撑的毛坯重达7kg，且形状十分复杂。此外，意大利的MM(Magneti Marelli)公司也为一些汽车公司生产半固态铝合金制件，在2000年日产达到7500件。日本是亚洲国家中较早将半固态加工技术转向工业应用的国家，在80年代后期，日本14家钢铁企业和4家有色金属公司共同组建了Rheotech公司，该公司投资30亿元对该技术进行研究开发，并将汽车零件作为半固态金属成形加工的首选应用对象。日本的一些其他公司也随后开始从事半固态成形件的生产，如SpeedStar Wheel公司已成功利用半固态成形技术生产出重约5kg的铝合金轮毂。

半固态成形技术在我国的起步相对较晚，与国外相比，国内在半固态金属成形技术领域的研究还相对落后一些。就目前我国的研究现状来看，半固态成形技术正逐渐进入到工业化推广应用阶段，虽然整体产业规模还比较小，但从行业关注度来看，有许多新产品都开始考虑采用半固态成形技术进行生产，而且每年半固态技术与应用研讨会的参会人员也在递增。近些年，国内多所院校，如北京科技大学、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学以及有色金属研究院等一批研究机构，在国家“863项目”、“985项目”和国家自然科学基金的支持下，已经在对半固态成形技术的基础理论研究和相关设备的自主研发与制造以及对关键技术的突破上取得了很大的进步。

纵观国内外研究进展，目前金属半固态成形技术主要应用于汽车领域，多数情况下是利用铝、镁合金的半固态压铸、模锻以及注射成形工艺来生产汽车的刹车作动筒、转向节、摇臂、发动机活塞、轮毂等零部件，而且生产技术已趋于成熟。但是该技术在铝、镁基复合材料和其他合金及其复合材料上的开发和应用还不是很多，因此利用金属半固态成形技术来实现颗粒增强铝基复合材料电子封装壳体的制造具有一定的创新性和实用性，并能为同类产品的制造提供有价值的理论依据和技术支持。

此外，本专利申请人曾在研究半固态A356铝合金浆料的填充过程时发现，半固态浆料在模腔的填充过程中极易发生液相和固相的偏析与分离现象，这通常与模腔形状和结构以及浆料的填充速度、温度和压力等因素有关。一般认为，成形时液相和固相的偏析与分离会导致成形件的组织和成分不均匀，从而对其使用性能造成不利影响。而在另一项对SiC_(p)/A356复合材料触变挤压成形的研究中，观察成形区域的微观组织时发现，SiC颗粒的分布密度与与半固态浆料中液相的流动和分布规律一致，且随着半固态浆料填充行程的增加SiC颗粒的分布密度也逐渐增大。

对于原位自生颗粒增强铝基复合材料，虽然增强颗粒表面无污染，与基体的相容性比外加法制备的铝基复合材料更好，但由原位合成的铝基复合材料中颗粒体积分数通常比较低，而铝基复合材料电子封装壳体所需的颗粒体积百分比通常要求在50％以上。因此，本发明将巧妙地利用半固态成形时液、固相偏析和分离的不利因素，实现低体积分数颗粒增强铝基复合材料制备高体积分数铝基复合材料电子封装壳体的有利转变。