本发明属于铝硅合金材料制备技术领域，具体涉及一种通过搅拌摩擦堆焊制备梯度铝硅电子封装材料的方法。
背景技术：
近年来，微电子器件领域高速发展，电子封装技术正朝着轻便、小型化、低成本和高性能方向发展。由于电子封装趋于小型化而使芯片集成度迅速增加，必然导致电子器件发热量大幅度提高，电路工作温度不断上升。因此，为了保证电路在正常温度下工作，提高芯片的散热效率就显得非常重要。传统上，研究人员采用增加散热系统设计，如增加散热器或冷却系统，但这样却增加了成本，并不能从根本上解决关键问题。所以，开发一种兼具高热导、低膨胀系数和良好加工性能的新型材料就显得尤为重要。
高硅铝合金的研制成功将使其成为满足电讯、航空航天、国防和其他相关电子元器件所需求的新型封装材料。新型梯度铝硅电子封装材料不仅具有低的热膨胀系数、较高的热导率、较小的密度，并且还具有良好的力学性能、机械加工性能和电镀性，因此越来越受到电子封装行业研究人员的重视。目前已开发的梯度材料的制备方法有：粉末冶金法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、离心铸造法、等离子喷涂法等，但上述制备方法制备效果不理想、设备昂贵、工艺繁琐，在铝硅梯度材料制备的实际应用中很难得到广泛推广。
技术实现要素：
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种采用消耗型搅拌摩擦工具，通过搅拌摩擦堆焊制备梯度铝硅电子封装材料的方法。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明通过搅拌摩擦堆焊制备梯度铝硅电子封装材料的方法，其特点在于：以铸造铝硅合金为基体，采用铝硅合金消耗型搅拌摩擦工具进行搅拌摩擦堆焊，使消耗型搅拌摩擦工具的铝硅合金材料在基体表面逐层固相堆积，从而获得组元呈梯度分布的铝硅电子封装材料。具体包括如下步骤：
(1)板材制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为20％-60％的铝硅合金板材；对所述铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)基体加工
将表面处理后板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有搅拌针的非消耗型搅拌摩擦工具对所述板材的整个上表面进行2-3道次搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为50％，获得硅颗粒细小(小于10-2mm)、分布均匀的致密铸造铝硅合金；
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为300-1500rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30-150mm/min，搅拌针倾斜角度为2-3°；
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
以步骤(2)所获得的铸造铝硅合金作为基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为a1的铝硅合金消耗型搅拌摩擦工具对基体的整个上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1在0.3-0.5mm范围内，堆焊层与基体的重合区域厚度为
堆焊完成后，第一层堆焊层的硅含量均匀，则第一层堆焊层的硅质量百分含量为m1：
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30-150mm/min；
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为a2的铝硅合金消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2在0.3-0.5mm范围内，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为
堆焊完成后，第二层堆焊层的硅含量均匀，则第二层堆焊层的硅质量百分含量为m2：
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30-150mm/min；
(5)第n层搅拌摩擦堆焊
以此类推，按步骤(4)相同的方法，将进行完第n-1层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，n≥1，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为an的铝硅合金消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第n层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度hn在0.3-0.5mm范围内，第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合区域厚度为
堆焊完成后，第n层堆焊层的硅含量均匀，则第n层堆焊层的硅质量百分含量为mn：
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30-150mm/min。
优选的，30％≥a1≥a2≥。。。≥an≥0。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过搅拌摩擦堆焊，利用消耗型搅拌摩擦工具制备al-si梯度材料，具有梯度层形成速度快、制备用时短、梯度层厚度可调等优点，而且节约能源、工艺简单、环境污染小。
2、本发明在加工过程中，材料处于固相状态，从而避免了其他方法在熔化和凝固过程引起的缩松、孔隙等缺陷，可以获得致密且连续的铝硅梯度材料，成形更为良好。
3、本发明的设备简单、操作步骤简便、绿色环保且生产成本较低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)板材制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为20％、厚度h＝16mm的铝硅合金板材，具体方法为：将60g的硅块与240g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为16mm的板状材料。对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)基体加工
将表面处理后板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有搅拌针的非消耗型搅拌摩擦工具(由h13钢制作)对板材的整个上表面进行2道次搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为50％，获得硅颗粒细小(小于10-2mm)、分布均匀的致密铸造铝硅合金；
搅拌摩擦加工具体工艺参数：轴肩直径为30mm，圆柱状搅拌针的直径为m14、长度为10mm、倾斜角为2.5°，搅拌摩擦工具的旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为60mm/min。
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
以步骤(2)所获得的铸造铝硅合金作为基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为10％的al-10si消耗型搅拌摩擦工具对基体的整个上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1＝0.3mm范围内，堆焊层与基体的重合区域厚度为
堆焊完成后，第一层堆焊层的硅含量均匀，则第一层堆焊层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝15％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为750rpm，搅拌摩擦工具行进速度为47.5mm/min；
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为5％的al-5si消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2＝0.4mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为
完成后，第二层堆焊层的硅含量均匀，则第二层堆焊层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝10％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为750rpm，搅拌摩擦工具行进速度为47.5mm/min。
由上可知，经过两次搅拌摩擦堆焊，本实施例获得了硅质量百分含量依次为20％-15％-10％的梯度铝硅电子封装材料。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)板材制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为40％、厚度h＝16mm的铝硅合金板材，具体方法为：将120g的硅块与180g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为16mm的板状材料。
对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)基体加工
将表面处理后板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有搅拌针的非消耗型搅拌摩擦工具(由h13钢制作)对板材的整个上表面进行2道次搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为50％，获得硅颗粒细小(小于10-2mm)、分布均匀的致密铸造铝硅合金；
搅拌摩擦加工具体工艺参数：轴肩直径为30mm，圆柱状搅拌针的直径为m14、长度为10mm、倾斜角为2.5°，搅拌摩擦工具的旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为47.5mm/min。
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
以步骤(2)所获得的铸造铝硅合金作为基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为20％的al-20si消耗型搅拌摩擦工具对基体的整个上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1＝0.3mm范围内，堆焊层与基体的重合区域厚度为
堆焊完成后，第一层堆焊层的硅含量均匀，则第一层堆焊层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝30％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为47.5mm/min；
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为10％的al-10si消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2＝0.4mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为
完成后，第二层堆焊层的硅含量均匀，则第二层堆焊层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝20％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为60mm/min。
(5)第三层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第二层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为0％的纯al消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第三层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2＝0.5mm，第三层堆焊层与第二层堆焊层的重合区域厚度为
完成后，第三层堆焊层的硅含量均匀，则第三层堆焊层的硅质量百分含量为m3：
m3＝(1-k3)×a3+k3m2＝10％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为1200rpm，搅拌摩擦工具行进速度为90mm/min。
由上可知，经过三次搅拌摩擦堆焊，本实施例获得了硅质量百分含量依次为40％-30％-20％-10％的梯度铝硅电子封装材料。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)板材制备
采用传统铸造方法，制备出硅质量百分含量m0为60％、厚度h＝16mm的铝硅合金板材，具体方法为：将180g的硅块与120g铝块在真空冶炼炉里完全熔化，然后浇铸成厚度为16mm的板状材料。
对铝硅合金板材的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；
(2)基体加工
将表面处理后板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有搅拌针的非消耗型搅拌摩擦工具(由h13钢制作)对板材的整个上表面进行2道次搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为50％，获得硅颗粒细小(小于10-2mm)、分布均匀的致密铸造铝硅合金；
搅拌摩擦加工具体工艺参数：轴肩直径为30mm，圆柱状搅拌针的直径为m14、长度为10mm、倾斜角为2.5°，搅拌摩擦工具的旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30mm/min。
(3)第一层搅拌摩擦堆焊
以步骤(2)所获得的铸造铝硅合金作为基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为30％的al-30si消耗型搅拌摩擦工具对基体的整个上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1＝0.3mm范围内，堆焊层与基体的重合区域厚度为
堆焊完成后，第一层堆焊层的硅含量均匀，则第一层堆焊层的硅质量百分含量为m1：
m1＝(1-k1)×a1+k1m0＝45％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为30mm/min；
(4)第二层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为15％的al-15si消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2＝0.4mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为
完成后，第二层堆焊层的硅含量均匀，则第二层堆焊层的硅质量百分含量为m2：
m2＝(1-k2)×a2+k2m1＝30％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为47.5mm/min。
(5)第三层搅拌摩擦堆焊
将步骤(3)进行完第二层搅拌摩擦堆焊后的铝硅合金，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以硅质量百分含量为0％的纯al消耗型搅拌摩擦工具对其整个上表面进行第三层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2＝0.5mm，第三层堆焊层与第二层堆焊层的重合区域厚度为
完成后，第三层堆焊层的硅含量均匀，则第三层堆焊层的硅质量百分含量为m3：
m3＝(1-k3)×a3+k3m2＝15％
其中：搅拌摩擦工具旋转速度为950rpm，搅拌摩擦工具行进速度为60mm/min。
由上可知，经过三次搅拌摩擦堆焊，本实施例获得了硅质量百分含量依次为60％-45％-30％-15％的梯度铝硅电子封装材料。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。