一种半固态成型铝合金光模块管壳及其制备工艺的制作方法

本发明属于光通信器件封装，尤其涉及一种半固态成型铝合金光模块管壳及其制备工艺。

背景技术：

1、随着云计算、数据中心及高速算力网络的快速迭代，光模块正朝着大功率、高频毫米波、小型薄壁化及高气密真空封装的方向发展。传输速率从100g、400g、800g向1.6t、3.2t乃至12.8t持续演进，硅光芯片、cpo共封装光学组件等新一代光电器件对铝制管壳的致密性、导热性、尺寸精度及电磁屏蔽性能提出了极为严苛的要求。光模块管壳不仅需要具备优异的力学性能和散热能力，还必须满足真空钎焊密封等高端封装工艺对气密性的要求。

2、目前，铝合金光模块管壳的制备主要有以下三种技术路线，但均存在明显缺陷：

3、传统液态高压压铸工艺：金属液高速湍流充型，型腔中的气体无法排出，壳体内部存在大量气孔、缩松缺陷，导致无法进行t6固溶时效热处理，导热性、强度及气密性大幅下降；高频信号传输时微孔造成电磁泄漏，且无法采用真空钎焊密封，难以满足高端硅光、cpo器件的封装需求；薄壁结构成型易缺料、变形，批量良率偏低。

4、整块铝合金cnc机加工工艺：将实心铝块铣削掏空成型，材料利用率不足40%，加工工序繁多、生产周期长，复杂内腔、微型散热筋及多组定位凸台的加工成本极高；产品重量大，不利于设备轻量化集成。

5、锻造成型工艺：模具投入成本高，成型节拍慢，微小光窗安装台阶、密封法兰、小型螺纹柱无法一次成型，后续cnc加工余量巨大，大规模量产经济性差。

6、综上所述，现有三种工艺均难以同时实现超薄复杂结构的一体成型、高致密无缺陷、可t6热处理强化、高气密性及低成本量产的综合目标。因此，亟需开发一种新型的铝合金光模块管壳及其成型工艺，以突破现有技术的瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有铝合金光模块管壳制备技术中存在的缺陷——传统液态高压压铸无法避免气孔缩松且不能进行t6热处理、整块cnc机加工材料利用率低且成本高昂、锻造成型难以大规模量产——本发明提供一种半固态成型铝合金光模块管壳及其制备工艺。通过合金成分优化、半固态流变压铸一体化成型与t6热处理的协同配合，旨在同时实现超薄复杂结构的一次整体成型、内部组织高致密无缺陷、可t6固溶时效热处理强化、高导热高气密性及低成本量产，满足100g及以上高速光模块、硅光芯片及cpo共封装光学组件对封装壳体的综合性能要求。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种半固态成型铝合金光模块管壳，其特征在于，所述管壳为一体化中空框体结构，由半固态流变压铸工艺一次整体成型，无需分段拼焊，用于封装传输速率不低于100g的光模块；优选地，所述管壳用于封装传输速率400g至12.8t的高速光模块。

3、进一步地，所述管壳的基材为低硅高导热al-mg-si系铝合金，所述合金以质量百分比计的组分包括：si 0.4%~0.8%，mg 0.6%~1.1%，cu 0.15%~0.3%，余量为al，所述合金组分杂质总含量≤0.1%。

4、进一步地，所述管壳的结构包括底板基座，四周侧壁，顶部密封围边，内置散热微筋，光纤光窗安装台，pcb定位螺纹柱，射频引脚槽，屏蔽隔筋。

5、进一步地，所述管壳成型壁厚为0.6mm~1.2mm，内部显微组织为均匀球状等轴晶，晶粒尺寸≤45μm，无粗大枝晶，无连续气孔及缩松缺陷。

6、进一步地，所述管壳经t6固溶时效热处理后，导热系数≥145w/（m·k），抗拉强度≥330mpa，屈服强度≥210mpa，真空检漏漏率≤1×10-9 pa·m3/s，且在26～40ghz毫米波频段的电磁屏蔽效能≥60db。

7、进一步地，所述管壳的密封平面、光窗定位孔、螺纹孔为精加工面，其余成型面为压铸毛坯面，所述管壳的材料利用率≥85%。

8、进一步地，所述管壳表面依次设有导电钝化层、薄镍层及钯金镀层。

9、本发明还提供一种半固态成型铝合金光模块管壳的制备工艺，包括以下步骤：

10、s1.铝合金熔炼，按si 0.4%~0.8%，mg 0.6%~1.1%，cu 0.15%~0.3%，余量为al的质量配比投放铝锭及中间合金，熔融保温至液相线以上温度，经精炼除气、除渣，去除熔体杂质与游离氢气，制得铝合金熔融体；

11、s2.半固态浆料制备，将所述铝合金熔融体输送至气冷搅拌制浆装置，经低温剪切搅拌破碎枝晶组织，控制浆料固相率25%~35%，制得球状晶均匀半固态浆料，浆料温度维持在590℃~610℃；

12、s3.流变压铸成型，将所述半固态浆料低速平稳输送至压铸模具型腔，采用层流充型方式填充，无喷溅、无湍流卷气；型腔保压12~18s后开模取出毛坯；

13、s4.毛坯冷却去毛刺，自然风冷至室温，采用振动研磨去除飞边毛刺，不破坏壳体成型面；

14、s5.t6热处理，将所述毛坯置于530℃下进行固溶保温处理，随后快速水淬，再于170℃下进行时效保温处理，消除铸造内应力，同步提升壳体强度、导热性能与尺寸稳定性，热处理后壳体整体变形量≤0.03mm；

15、s6.精密精加工，对热处理后的管壳毛坯的密封围边平面、光窗通孔及螺纹柱内孔进行微量cnc铣削和钻孔攻丝；

16、s7.表面镀层处理，对上述管壳依次进行脱脂清洗、导电钝化、化学镀镍、镀钯金，烘干后得到成品光模块铝管壳。

17、进一步地，所述s2中搅拌转速为600~900r/min，气冷风量稳定控制，保证晶粒球化均匀。

18、进一步地，所述s3中压铸模具预热温度为220℃~260℃，降低浆料热冲击，延长模具使用寿命。

19、本发明打破传统压铸“高硅才能保证流动性”的技术偏见，反其道而行之，选用低硅的al-mg-si系合金作为基材。低硅含量降低了合金中si相的体积分数，显著提高了铸态基体的导热潜能，为后续t6热处理后获得≥145w/（m·k）的高导热系数奠定了基础。同时，mg和cu的适量添加可形成mg2si和al2cu强化相，经t6固溶时效处理后实现析出强化，保证壳体兼具高强度和高导热性能。

20、在成型工艺上，本发明采用气冷搅拌制浆技术，在合金熔体由液态向半固态转变的过程中施加强制剪切搅拌，使初生枝晶被打碎、球化，制得固相率25%~35%、温度590℃~610℃的球状晶半固态浆料。与液态金属相比，半固态浆料本身已携带约30%的固态晶核，流动时不易产生喷溅和湍流。本发明将该浆料低速平稳地输送至模具型腔，以层流充型方式填充，从根本上避免了传统液态压铸高速湍流充型带来的卷气问题。同时，层流充型使型腔中的气体有充足时间从排气槽排出，保证了壳体的高致密性，内部无连续气孔及缩松缺陷。

21、高度致密的毛坯组织使得壳体能够承受530℃高温固溶处理而不发生起泡或开裂，这是传统压铸件无法实现的突破。t6固溶时效处理一方面充分溶解了铸态组织中的非平衡共晶相，使mg、cu等溶质原子充分固溶到铝基体中，随后经快速水淬和170℃时效保温，以纳米级析出相的形式均匀弥散析出，产生显著的析出强化效应；另一方面，高温固溶处理使铸态组织中的微观偏析得以消除，晶界更加纯净，减少了晶界对导热电子和声子的散射，从而同步提升了导热系数。

22、此外，一体化成型结构设计将底板基座、侧壁、密封围边、散热微筋、光窗安装台、定位柱、射频槽及屏蔽隔筋全部集成在一次压铸中，减少了后续机加工量和组装工序。仅密封面、定位孔、螺纹孔预留微量加工余量，其余成型面直接使用，实现了近净成型。

23、本发明所述光模块管壳的一体化中空框体结构，其各功能部位的设计如下：

24、底板基座用于承载光模块的pcb板及光电芯片，其平面度经精加工后控制在0.02mm以内，确保芯片贴装精度。

25、四周侧壁与底板基座共同围合成中空腔体，为光模块内部元件提供安装空间和电磁屏蔽屏障。

26、顶部密封围边为管壳上端面的密封法兰结构，经精加工后表面粗糙度ra≤0.8μm，用于与金属盖板或陶瓷盖板进行真空钎焊或激光封焊，实现气密性密封。

27、内置散热微筋为设于底板基座内表面的微型散热齿片结构，筋高1.0~2.0mm，筋厚0.4~0.6mm，筋间距0.8~1.5mm，用于增大散热面积、提升散热效率。该微筋结构在半固态流变压铸中一次成型，无需后续加工。

28、光纤光窗安装台为设于侧壁特定位置的光纤接口安装平面，用于安装陶瓷光窗或光纤适配器，实现光信号的内外传输。

29、pcb定位螺纹柱为设于底板基座上的多个定位凸台及内螺纹孔，用于pcb板的精确定位和固定安装。

30、射频引脚槽为设于侧壁的引脚引出槽结构，用于射频信号引脚的穿出和绝缘安装。

31、屏蔽隔筋为设于腔体内部的隔离筋结构，用于将腔体分隔为不同的屏蔽区域，减少高频信号之间的电磁干扰。

32、以上各功能结构在半固态流变压铸工艺中一次性整体成型，无需后续焊接或组装，保证了壳体的结构完整性和尺寸一致性。

33、综上所述，本发明的创新点为：

34、1.合金成分创新：突破现有半固态压铸通讯壳体普遍采用高硅铝合金的惯例，选用低硅高导热al-mg-si系合金，在保证半固态成型性能的同时，为高导热、高强度性能的同步实现提供了成分基础。

35、2.工艺路线创新：将低硅铝合金、气冷搅拌半固态制浆（固相率25%~35%、浆料温度590℃~610℃）、层流充型流变压铸与t6固溶时效热处理（530℃固溶+170℃时效）有机整合，形成一条完整的、可工业化量产的工艺链条，首次实现光模块管壳半固态成型件可进行完整t6热处理的突破。

36、3.结构集成创新：将壁厚仅0.6mm~1.2mm的超薄壳体与底板、侧壁、密封围边、散热微筋、光窗安装台、定位螺纹柱、射频引脚槽、屏蔽隔筋等多重功能结构一体化成型，兼顾了结构完整性、功能集成性和轻量化需求。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

38、1.组织致密、可t6热处理：采用半固态层流充型，壳体内部组织致密，从根本上消除了传统压铸的气孔、缩松缺陷，壳体可完整进行t6固溶时效热处理，突破传统压铸件无法钎焊、无法时效强化的技术瓶颈。真空漏率≤1×10-9pa·m3/s，满足高端光模块长期真空密封需求，适配陶瓷光窗、金属盖板真空钎焊封装。

39、2.综合性能优异：t6热处理后导热系数≥145w/（m·k）、抗拉强度≥330mpa、屈服强度≥210mpa，同时实现了高导热与高强度，这显著优于导热系数<120w/（m·k）、抗拉强度<250mpa的传统压铸件；26~40ghz毫米波频段电磁屏蔽效能≥60db，满足高频信号传输的抗干扰需求。

40、3.超薄复杂结构一体成型：壁厚0.6mm~1.2mm的超薄壳体及微型散热筋、多组定位柱、屏蔽隔仓等精细结构一次铸造成型，无需分段拼焊，成型精度高、尺寸稳定性好。

41、4.材料利用率高、综合成本低：仅密封面、定位孔及螺纹孔需微量精加工，其余成型面直接使用，材料利用率≥85%，相比实心铝块机加工（<40%）提升一倍以上，减重30%~45%，大幅缩减cnc加工工时和物料成本，适合大批量工业化生产。

42、5.工艺兼容性强：壳体表面依次设有导电钝化层、薄镍层及钯金镀层，兼容真空钎焊、激光封焊、导电胶密封等多种封装工艺，适配100g及以上高速光模块、硅光芯片、cpo共封装光学组件等多元化应用场景。