（材料学专业论文）高体积分数铝基复合材料的制备及性能研究.pdf

上海交通大学博士学位论义 摘篮 摘要 高体积分数s i c 颗粒增强铝撼复合材料可以把基体高的热传导性与增强体低的 热膨胀系数楣结合，获得其存良始热性能驰复合材牲。电子封装艇辩是高体季j 分数 m m c s 发展的重要方向，但材料的制备制约了其大规模应用。发展净成型工艺可以从 根本上鼹决这一阃蹶，丽其基础则怒低粘度、高凰禽量浆料的制各以及浆睾莲蹶位匿化 工麓的实现。与此同时，在某些高精度的摩擦组件中，为避免困大精摩擦热的产生而 造成的摩擦副尺寸的不匹配以及由此所可能导致的摩擦副的咬合，对所用材$ ： 的热性： 能，特剐憩热膨胀系数也彳主往提出较为严格的要求，高体积分数金属鏊复合树稻 ( m m c s ) 程该领域也同样具有诱人的应用觞景，假此时热性能的改善是以部分牺萼生 丰辛辩的瘁擦磨损性麓丽获得的。通过加入软质增强相g r 或b n 颗粒可有效解决这一 阔题。本文即围绕以上两个问题展开。 首先研究了s i c 粒径静大小及两种不间稳径粉体的级配对浆料流动性静影响。研 究结果表明，在粉体表面化学性质相同的条件下，低剪切述率范围内粒度小侈状 不规整匏装辫的流稳往差，侄穗赛剪镑速率却醚糖度静增加丽变小。体积分数稻闷 的条件下，两种不同粒径粉体的相对含量对浆料的流动性也有着很大的影响，但在不 嗣静搴孳韬速率范围两影蘸不嗣。 表面改性处理可以有效改善浆料的流动性。对s i c 粉体在小间濑度f 进 j 煅烧处 理，f t i r 鞠x p s 鹣努撰络聚表黉耪体表巍s i o 键鳃葙对含量随簸烧溢凌魏署离两 升高。碱性条件下，s i 0 键在水溶液中的水解反成形成的阴离子糕团将会吸附在粉 髂表露，增大了粉铬戆繁毫蕊。缓浇滋凄为5 5 e 辩其有最馕稳效莱。过蔫匏处莲潺 度反而会增大浆料中的离子浓度，姆致流变性能的恶化。 瘫国会爨及羝熬疫浆糕瓣获褥楚素坯净戒肇静鏊礁，蠢蕻关键魁蹩浆糕缀位瓣纯 的实现。本文针对电子封裟用m m c s 素坯的特点。在s i c 浆料中加入一定最的水玻 璃，剽鼹螽续戆酸懿东解反寝，逶道硅酸故凝胶纯转变，实臻浆凝熬国纯。逶过上述 工艺获得了微观结构均匀和形状复杂的s i c 陶瓷素坯，并利用真窄胍渗法制祷了具有 复杂形状憋a 1 s i c 。毯子鸷装鑫，携步实瑷了近净成型工芝。其c t e 矧t c 势翊为 7 1 5 p p m k 和1 3 5 w ( m k ) 。密度3 0 9 c m 3 ，满足简密封鼗、军事工业以及航空航灭 工业中对封装材料能姥的要求。 同时还研究了商体积分数a l ，s i c ，6 0 。的摩橼磨损性能。与通常体秘分数的 a i s i c l 2 0 p 相比，低载蕊时( 2 0 n ) a 1 s i c 6 0 p 的磨按率和黪擦系数终分燃裹5 0 挪 3 5 ，此时a l ，s i c ，6 0 。的磨损机制以磨粒磨损为主。随载荷的升高( 6 0 n ) ，磨损夜 层将形成机械混合殿，材料的摩擦磨损性能在一定程度上得到改善，。睫能与a i s i c 2 镰 j 二海交通大学博十学位论文摘要 稠近。侮与a i s i c 2 0 。椭比，a i l s i c 6 在热性熊上具有不可替代的优势。两者鹣t c 相近均为一1 3 0 w ( m k ) ，a 1 s i c 6 0 p 的c t e 仅为一7 p p n g k ，a i s i c 2 0 p 则高达1 7 p p m k ， 蹩前者静2 5 倍。因此在尺寸蘩求严格的摩擦系统r ha 1 s i c 6 0 。仍怒+ 种合适的选 用材料。 在复合材辫总体积分数傈掩不变豹前提下，潋g r 鬏粒部分鼗代s i c 颗粒，在硬 质和软质增强榈的协同作用下复合材料的性能逐步得到改露。研究发现，材利 a i s i c + g f f 4 5 p + 1 5 # 其有簸佳的簿擦瘩损性能。与既闷时，a t s i c r g r 4 5 一l5 。还具有 良好的热性能( c t e8 0e 6 k ，t c9 7 w ( m k ) ) ，表明a i s i c + g r 4 5 1 5 。混杂增强 笺台末| 鞭捅毒缀好懿综念往髓，霹满霆簿精度黪擦缰馋对材毪能鸯要求。g r 静趣天 有利于摩擦表面机械混合层( m m l ) 的形成，同时还会农摩擦表两形成g r 的润滑层， 软蠢改蒋了穆秘豹淫裁。薅予离体积分数豹复合毒辛糕，由于耪糕露发生嫠淫交形藜撬 力增大，因此与低固含缀的复合材料相比，其m m l 层的厚度较溥，只有1 0 2 0 u n l 溺越妥交滢g r 瓣长径魄较枣。g r 含量懿送一步舞。毫籍警致秘籽强度数f 簿，驻表甚 a 1 g r 界丽处很密易萌生裂纹，甚至发歆局部断裂，导致摩擦磨损性能迅速恶化。 g f 酌翔入爨然起到了减磨粒瓣密豹效杂，穗g r 翡攘氧纯瞧较差，这给复会秘辩 的制备带来了一定的困难，因此考虑利用六方b n 取代作为软质增强体f | 勺g r 。研究 发现，与颗粒增强髂秘毙，b n 怼镪台金具有一定豹强化伤心。鲢体袤璁为，j l 增强体的总体积分数保持不变时，随其中s i c 含量的减小，b n 含量= 的增大，概杂复 合辩料豹硬度鸯逐步秀囊兹趋势，瑟强度剿基本缳持不变。尉时t e m 豹分摄缀果表 明，利用压铸法制备的s i c 和b n 颗粒混杂增强铝基复合材料中，基体a i 与b n 颗 毂之阈泰发理煮爨嚣反应存在，嚣者之阀的界巍结台状提瞧好。 摩擦磨损的实验结果表明，s i c 与b n 混杂复合材料的性能随b n 含量的增加而 逐步褥裂改善，健当b n 含量力l5 ，0 1 孵，载赘增至6 0 n ，材糕即已发生磨损失效。 这是由于此时的材料硬度较高，因而抵抗塑性变形的能力变差，闷时随载荷的升高， 摩擦力t | 萎随之增大，材料很容易困局部叛裂丽破坏。 关键词：邀子瓣装榜料，碳纯硅，浆辩，流变学，净城攀f 艺，蠢麓，氮仡磷，淹 杂增强铝基复仓材料，热性能，摩擦磨损性能 上海交通大学博上学位论文摘要 a b s t r a c t a l u m i n u m m a t r i xc o m p o s i t e sc o n t a i n i n gh i g hv o l u m ef r a c t i o no fs i cp a r t i c l e sh a v e b e e no fi n t e r e s tf o rs o m et i m et om a n ys e c t o r so fi n d u s t r yf o rt h e i ra t t r a c t i v et h e r m a l p r o p e r t i e s ：h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dl o wc o e 踊c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n i ti sn o w w i d e l ya p p r e c i a t e dt h a tt h ep o t e n t i a lf o rt h i sk i n do fc o m p o s i t ei ne l e c t r o n i cp a c k a g i n gi s v e r yb r o a d d e v e l o p m e n to fl o w c o s tp r o c e s s e st h a tp r o d u c ep a r t sb e i n go ft h ef i n a l d e s i r e ds h a p e ( n e t s h a p ep r o c e s s e s ) o rt h a tr e q u i r eo n l yas m a l la m o u n to fm a c h i n i n g ( n e a r n e t s h a p ep r o c e s s ) i sac r i t i c a lc o r o l l a r yi s s u e t h ec r u xf o rn e t s h a p ep r o c e s s e so fs i c p a r t i c l e - r e i n f o r c e dc o m p o s i t el i e s i nt h ea c q u i s i t i o no faw e l l d i s p e r s e ds u s p e n s i o no fh i g h s o l i dc o n t e n tw i t hl o wv i s c o s i t yt of a c i l i t a t et h em o l d f i l l i n gp r o c e s sa n dt h ec o n s o l i d a t i o n o ft h es u s p e n s i o ni n t o d e n s e ，h o m o g e n e o u sg r e e nb o d i e st op e r m i td e m o l d i n ga n d s u b s e q u e n th a n d i n gw i t h o u td e f o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，a p a r tf r o me x c e l l e n tf r i c t i o n a n dw e a rp e r f o r m a n c eg o o dt h e r m a lp r o p e r t i e sa r eo f t e nr e q u i r e di ns o m ef r i c t i o n a s s e m b l i e sw i t hh i g hp r e c i s i o n m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c s ) w i t hh i g hv o l u m e f r a c t i o no fs i cp a r t i c l ei sp o t e n t i a l l ya ni m p o r t a n tm a t e r i a li nt h i ss p e c i a lc i r c u m s t a n c e b u tt h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fm m c sw i t hh i g hc o n t e n to fs i cp a r t i c l e sw o r s e n s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef r a c t i o no fs i c h y b r i dc o m p o s i t e sw i t hs i ca n ds h e a c a b l e p a r t i c u l a r ss u c ha sg r a p h i t ea n db o r o nn i t n d ea r ee x p e c t e dt oh a v eg o o dw e a rp r o p e r t i e s b e c a u s eo ft h ef o r m a t i o no fs o l i dl u b r i c a n ba tc o n t a c ts u r f a c e t h e r e f o r e i n v e s t i g a t i o n so f h y b r i dc o m p o s i t e sw i t hh i g hv o l u m ef r a c t i o n a r en o t o n l yo fp r a c t i c a lb u ta l s o o f i h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h e s ec o n s i d e r a t i o n t h ea b o v et w ot o p i c sa r es e l e c t e df o r r e s e a r c hp u r p o s e t h ei n f l u e n c eo fp a r t i c l es i z ea n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no nr h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f s i cs u s p e n s i o n sw a sf i r s tc o n s i d e r e d i tw a ss h o w nt h a tt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs i c s l u r r i e sd e t e r i o r a t e da n dt h ec r i t i c a ls h e a rr a t e a tw h i c hs h e a rt h i c k e n i n gw a si n i t i a t e d d e c r e a s e da ss i cp a r t i c l eb e c o m es m a l l e ra n dm o r ei r r e g u l a r t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n p l a y e dd i f f e r e n tr o l e si nc o n t r o l l i n gr h e o l o g yo fs i cs l u r r i e sd e p e n d i n go nt h es h e a rr a t e e x e r t e dw h e ns o l i dl o a d i n gw a sk e p tc o n s t a n t t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fc o n c e n t r a t e ds u s p e n s i o n so fs i cp o w d e r sw a s h e db y d i 雎r e n tk i n d so fp r o c e s s e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tb a s el c a c h i n gc a l lb e s u c c e s s f u l l yu s e dt oo p t i m i z et 1 1 er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs i cs u s p e n s i o n t h er e d u c t i o ni n v i s c o s i t yf o rt h es u s p e n s i o nw i t hl c a s h e dp o w d e rc o u l db ee x p l a i n e db yt h ed i s s o l u t i o no f f o r e i g ni o n so ns i cs u r f a c e t h ed e t e r m i n a t i o no fs u r f a c cc h e m i s t r yo fs i cp o w d e r s c a l c i n a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dt h e i re f f e c to nt h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs i c a q u e o u ss u s p e n s i o n s a r ea l s om a d e t h e r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s w e r e i m p r o v e d s i g n i f i c a n t l yb yt h ec a l c i n a n t i o np r o c e s s c a l c i n a t i o no fs i cp o w d e ra t5 5 0 w a s o b s e r v e dt or e d u c et h ev i s c o s i t yo fs i cs l u r r ye f f e c t i v e l y f t i ra n dx p sr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ea m o u n to fs i ob o n do ns i cs u r f a c ei n c r e a s e sa st h ec a l c i a n t i o nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e s t h eh y d r a t i o no fs i cb o n d sa n ds i ob o n d sb o t hc o n t r i b u t et ot h es u r f a c e c h a r g eo fs i cp o w d e r , b u te x c e s s i v eh y d r a t i o no fs i - ob o n d sw 川i n c r e a s et h ei o n i c 上海交通大学博土学位论文 捕业 s t r e n g t ho fs o l u t i o n t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e st h u sw o r s e na c c o r d i n g l y ， t h eb a s ef o rn e a r n e t s h a p ef o r m i n gt e c h n i q u el i e s i nt h ec o n s o l i d a t i o no fh i g h c o n c e n t r a t e ds u s p e n s i o n sw i t hl o wv i s c o s i t yi n t oc o m p a c t s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ro f g r e e nb o d yu s e df o rm m c s ，ac e r t a i na m o u n to fs o l i d u mm e t a s i l i c a t ew a sa d d e dj n t oh i g h c o n c e n t r a t e ds i cs l u r r i e s i tw a sf o u n dt h a tt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs i cs u s p e n s i o n s c o u l db ei m p r o v e dw i t ht h ea d d i t i o no fs o l i d u mm e t a s i l i c a t ec o n s o l i d a t i o no fa q u e o u s c o n c e n t r a t e ds i cs u s p e n s i o n sw a si n d u c e db yc h a n g i n gp ho ft h es u s p e n s i o n s ，w h i c hi s a c h i e v e db yu s i n gs e l f - d e c o m p o s i n ge s t e r s t h ef o r m i n gp r o c e s si sc h a r a c t e r i z e db y n e a r n e t s h a p ec a p a b i l i t y , h i g hq u a l i t ya n dh o m o g e n e i t y n e a r n e t s h a p ef a b r i c a t e da 1 s i c m i c r o w a v ep a c k a g ew e r eo b t a i n e dt h r o u g hv a c u u mp r e s s u r ei n f i l t r a t i o nt e c h n i q u e d r ys l i d i n gw e a rp e r f o r m a n c eo f6 0 6 3 a im a t r i xc o m p o s i t er e i n f o r e e dw i t h6 0 。0 1 s i cp a r t i c l e ( a 1 s i c 6 0 n ) w a si n v e s t i g a t e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo fa l s i cw a sf o u n dt ob e b e t t e rt h a n6 0 6 3 aj ，b u tt h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no fa i s i c 6 0 口j sh i g h e rt h a na lm a t r i x c o m p a r e dw i t ha i s i c 2 0 d ，t h ew e a rr a t ea n d 行i c t i o nc o e f f i c i e n to fa i s i c 6 0 d a r e r e l a t i v e l yh i g ha st h el o a di n c r e a s e dt ot h er a n g ef r o m4 0 nt o8 0 n ，t h ed o m i n a n tw e a r m a c h a n i s mo fa 1 s i c 6 0 。i sa b r a s i v ew e a ra t1 0 wl o a d s a st h ei o a d si n c r e a s e d ，f r a c t u r e a n df r a g m e n t a t i o no fc o a r s es i cr e i n f o r c m e n t sa r ef o u n dt oo c c u r ，t h e nf r a g m e n t e ds i c p a r t i c l ew o u l dm a c h a n i c a l l ym i x e dw i t hd e b r i sb e i n gt r a n s f e f r e do nt h es u r f a c eo f c o m p o s i t e a n dm e c h a n i c a l l ym i x e dl a y e r ( m m l ) r i c hi ni r o ni sf o r m e d u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h et o t a lc o n t e n to fr e i n f o r c e m e n tw e r ek e p tc o n s t a n t g r p a r t i c l e sw e r eu s e dt or e p l a c es i cp a r t i a l l y b e c a u s eo ft h ec o o p e r a t i o no fs t r e n g t h e n i n go f s i ct om a t r i xa n ds m e a r i n go fg rt oc o u n t e r f a c e sa n dt h ep r e s e n c eo fg r a p h i t el a y e r s w i t h i nt h et r i b o 1 a y e r ，a l s i c + g f ，4 5 d + l5 dw a sf o u n dt oe x h i b i tt h ei o w e s tf r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dl o w e s tw e a rr a t e a tt h es a m et i m e ，a i s i c + g r 4 5 d + 15 dw a sa l s of c i u n dt o e x h i b i tg o o dt h e r m a lp r o p e r t y ( c t e8 0e 一6 k ，t c9 7 w ( m k ) ) ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t h y b r i dc o m p o s i t ew i c hs i ca n dg rd i dh a v ee x c e l l e n 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a d st ob r i t t l ef r a c t u r eo f w o r ns u r f a c em o r ee a s i l y , w h i c hm a k e sa l s i c + b nl e s ss e v e r er e s i s t a n t ：f u r t h e r i n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e r ee x i s t sl i t t l ed i f r e r e n c ei nt h ew e a rm a c h a n i s mb e t w e e n a l s i c + g ra n da l s i c + b nr e i n f o r e e dh y b r i dc o m p o s i t e s b e c a u s et h ep a r t i c l es i z eo fb n i ss m a l l e rt h a ng ra n dt h eh a r d n e s so fb ni sh i g h e rt h a ng r t h e1 u b r i c a t i o ne f f e c to fb ni s i n f e r i o rt ot h a to fg r k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，s i c ，s u s p e n s i o n ，r h e o l o g y , n e a r n e ts h a p e ，g r , b n h y b r i da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ，t h e r m a lp r o p e r t i e s ，w e a ra n df r i c t i o n p e r f o r m a n c e v 上海交通大学 学位论文源创性声明 本人郑重声明：所呈交的学能论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。 对本文晌研究徽出重器贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标雳。本人完全意识瓣本声明麓法律结采由本人承覆。 学位论文作者签名：黄强 日期：抽口之年o 月上召日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存s u r e 编本学位论文。 保密晒，在三年解密后适用本授权书。 本学位沦文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：质强 指导教师签名：形炙吃走 日期：曲。2 年，o 月耐w日期：如z 年to 月形口 t 海交通大学博士学位论文 第一章绪论 现代科学技本的迅遮发展傻蔟对材料性能的簧求氇逐步提麓，夺某蹙特殊的场 合，传统的单质材料已根难满足要求，复合材料正是程这种背景下得到了快速的 发展。金属基复会材料( m m c s ) 怒其中嘏慰较新的一个分支，据今只有不到四十年 的发展历史，特别是近十余年来，航空、航天、电子、汽车和国防工她的发臌， 极大推动了m m e s 的研究和虚用，也愈发显示了其强大的生命力。 应用爱台材料的中l 慧想在于把两种截然不同的物质的优点结合越来。而避 免各自的缺点。对于m m c s ，翻的在予把基体金属优越的塑性和成型性与增搬体 的承受载荷的能力及刚襁结合越来。也可以为了能把纂体的离热传导经与增强体 的低热膨胀系数( c t e ) 结合起来。前者体现在工程材料的使用中，如通过加入适嚣 的硬质或软质增强体，w 获得其有良好力学性能或摩擦磨损性能的复合材料。丽 利用后一艨则设计的m m c s 贝口可满足电子工业对封装材料性能的要求。 电予技术高遽发展的集中体现是芯片集成艘的逐遽增高，这样系统的功率也 随之变大，单位体积的发热率迅速增加，器件的散热成为阻碍集成电路工业发展 的关键。进行含壤的熟瓣装和热设锈。是解决该闷题的羹娶手段， 班；鏊i i | | 刚怒具 有高热导、低膨胀系数的新型封装材料的研制和开发，其中m m c si 捌其综合性能 上的优势零 起7 入稻静广泛重魏。对窀予封装丽m m c s 的研究赡l 二，k + 年 盾麓。 利用各种成型工慧对不同复合体系热性能的尝试性研究为早期：】二作的主要内容。 萋俸多为韬、铜殿其合盒。增强体刚主簧遥耩各牵争隗瓷鬏粒懿及连续畿纤维。之 艏研究的熏点逐步朝纵深方向发展，研究的内容包括村基体成分、增强体粒度、 赛嚣狡掘、熬残众应力等对材瓣燕程酶豹影睫，毽许多方瑟的研究还不够深入。 从制备工艺上看，由于封装用复合材料中增强体的体积分数很高，二次加工困难， 因就，净成形王慧静发鼹是冀蕤否褥蔽广泛应瓣戆关键。 与此同时，某些特殊的场合，如在高精度的摩擦缀件中，除要求所使用材料 爨考楚好静摩擦蘑撰经麓羚，穗往还露颦倭接掰耪辩溺器具鸯较努豹等热羧藐秘 低的c t e ，从而使用过程中材料不会随工作温度的升高或摩擦热而产生大的尺寸 交纯。其鸯毫嚣积分数熬m m c s 羯霹满建上述羲求，爨是鸯美m m c s 瘴擦瘗接性 能的研究报导都集中在增强体含量较低的范围内( 4 0 。i ) ，具有高体积分数m m c s 簿擦瘗撰性藐兹磷究越缀少觅。困扰磷究其畜羹润滑黪瞧豹赢增强体会鬟m m c s 的摩擦特性，不仅丰富了摩擦学的知识，同时也具有重要的现实意义。 上海交通大学博士学位论史 1 1 电予元器件的发溪及其对封装材料性麓的要求 l ，1 1 电予元器件的发展状况 ! 导体集成电路0 c ) 技术正舀新月髯地向游发鹱：缀据黪尔定律，i c 芯片鞠 集成度每18 2 4 个月增长一倍，亦即大体每三年就有新代i c ，“品问l 韭。e ；ji 订， 褥征线宽为0 3 5 t m 的6 4 m bd r a m 已娩模生产，0 2 5 1 a m 技术已投入生产，采瑷 0 1 5 p r o 技术的4 gd r a m 样品也已研制出来【i 2 】，美圈半导体工业胁。会( s i a ) 在其 笈表静“技术发髅指南”中预测，到2 0 0 9 年褥实褒0 0 9 1 a m 技术靛7 t 产。弱辩， 每个芯片可包含1 0 0 个元件。弓此同时，电子封装也f i i 不断阳小，弘化、高性能、 藤词靠靛帮低戒本方囱发壤，麓采蠲表蠢辩装童雯术( s m t ) ，板蔓芯片技术( c o b ) ， 多芯片组件( m c m ) ，单极集成组件( s l i m ) ，三维封装技术( 3 一d ) 等【3 1 。 芯嚣集盛废豹逐逮蹭热彗然导致萁发热率浆提毫，锭零电跨鞠l ： 乍溢寝不瑟 匕升。实验证明，单个元件的失效率与其工作温度成指数天系，功能则o 其成反 浇。舔诗舞，在鏊准瀑菠f 1 0 0 ) 以上，。 乍溢凌每蠢蕊2 5 ，电爨静炎效率裁会 增加5 6 倍。同时各种高密度封装技术更是将多个芯j 1 以更紧密的力。成排州住丛 片上， 雯褥系统挚位蒋强熬发热奉送一步增大。遥 l 女# 旃提麓芯| 4 斡鼗热效率， 使得电路在正常温度下工作就慰得尤为蘑要。 瓣决渡阉爨豹一个墼要手段靼是遂行台理姻热封装拳 热设计，瑚采蠲会矬热 斟装技术，此时封装对系统性能的影响已变得和芯片同等重溪。比如可以使j j 各 季 教热器或采慝| 渡髂冷却系统，然薅这些方法井誉栽从根本上完全鳃决嗣题，系 统的成本和结构却因此而增加。因此研究和丌发具有商热导及良好综合性能的新 裂封装秘秘裁最缮更加整要，这在羹装港压予 c 发艘敬令天骖i 更楚如此。 l + l 。2 嚣装戆侮瘸凝对封装毒君料款牲裴要求 典型的电予封装从结构上可分为三个层次：将：枣片在基板上固定，引线键台 以及隔离保护等称为一缀鸷装：经一缀封装露豹墨器件在萋扳 的剃定和连接拣 二级封装：最后将电路板装入系统中成为电子整机称为三级封装，图1 1 【6 i 为其抽 裂及麓罄纯的示意图。 一般来说，电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能：为芯片提供桃械 支撑和环境探护：接通半导体芯片的媳流通路：提供信号的镰入和输出通路；提 供热通路，散逸芯片产生的热鬣。可以说，电了封装对系统的【匕、热、光和饥械 性能乃至其可靠性和成本都有鬻重要的影i 蚂。 根据封装的功能对甜装材料的性能要求憨体上有隧下几点：具订良好晌化学 上海交通大学博士学位论文 前章绪沦 一级封装 级封装 三级封装 外壳 一出 址 底扳( 热机 图卜1 “电子封装的三个层次 f i 9 1 1 【6 】t h r e el e v e l so f e l e c t r o n i cp a c k a g i n g 稳定性；导热性能好，热膨胀系数小：有较好的机械强度，便j 二加工：价格低廉， 便于自动化生产等，当然不同部件在不同场合对其性能的要求也相应有所侧重。 总体上讲，图1 1 中所示的一级和二级封装中，导热系数( t c ) 是。个非常雨耍的p l ： 能指标。高集成度i c 在工作中产生的热量必须及时释放以防在过热的状态下j 作， 从而影响其寿命和功能。与此同时，我们必须兼顾材料的热膨胀系数( c t e ) ，其总 的原则是所用各种材料的c t e 以相近为宜，且最好与芯片材料保持一致，否则， 随工作温度的升高，将不可避免地在相邻部件间及焊接接点处产生热应力结合 处将发生蠕变、疲劳乃至断裂。对固定架( 一二级封装) 而毒，除述婴求外，还婪水 所用材料具有良好的加工性和可成型性，同h 寸兼顾对电磁场的群敞作f ：| 。仵币事 通讯和航空工业中，对所使用的封装材料除要求具有高的t c 利低的c t e 外，重 量也是一个必须同时兼顾的因素，此时低密度材料就显得更具优势。 电子封装材料的种类繁多根据用途主要包括有基板、热沉、布线、电路板、 框架、焊料、填料和密封材料等。根据使用材料的种类又分为金属、陶瓷羽i 塑料， 其中塑料主要用于半密封封装，而前两者则用于全密封封装。表l ，p 。8 j 别山了常 ! 绚 上海变通失学博i = 学位论文辩季精论 袅1 - 1 “。”常舟封装材料的眭能指标 1 a b l e l 。1 1 6 , 7 , s p r o p e r t i e so f c o m m o ne l e c t r o n i cp a c k a g i n gm a t e r i a l s c t e t c 襁泼( g c m 3 ) 材料 ( p p h v k )f w ( m k 强 s i4 11 5 0 2 3 g a a s 5 、83 95 ，3 a 1 2 0 3 6 52 03 9 b e o6 72 5 0 2 + 9 s i c3 。7 3 壤7 0 2 7 03 2 a l n4 5 2