电子封装用SiCpAlSi复合材料的组观察及性能研究

电子封装用电子封装用SiCpAlSiSiCpAlSi复合材料的组观察及性能研究复合材料的组观察及性能研究 山东大学硕士学位论文4 3Mi crostructureof matri x andrei nforcementi nSi Cp A1 Si posite 394 3 1Mi crostructureofthe matri x 一j y4 3 2DefectS i n Si C parti cl es 4l4 4Chapter summary 4lChapter5Per f ormanceof Si Cp Al Si posi tes 435 1Physi calproperti esofSi Cp AI Si posites 4j5 1 1Densi tyof Si Cp Al Si posites 435 1 2Thermal conductivi tyof Si Cp Al Si posites 4 5 1 3Coeffi cient ofthermalexpansi onofSi Cv Al Si posites 535 2Mechani calproperti esof Si Cp AI Si posites 5 5 2 1Hardness of Si Cr Al Si posites 一595 2 2Bendi ngstrength of Si Cp Al Si posites 6U5 2 3Fracture ofSi Cp l Si posites Oz5 3Chapter summary o日Chapter6Co ncl usions O The innovat ion points ofthi sthesi s o Ref erence OyThanI岱 74Publ ished articleduri ngstudyi ngfor MasterDegree 一75ll l东大学硕十学位论文摘要针对Si Cp Al复合材料中A1与Si C之间润湿性较差 易发生界面反应等问题 本文通过对Si C颗粒进行表面改性预处理并在AI基体中添加Si元素使其合金化 采 用热压烧结工艺制备了Si Cp Al和Si Cv A1 Si复合材料 系统研究了Si C颗粒的表面改性预处理工艺和复合材料中Al与Si C之间的反应热力学 探索了不同制备工艺对复合材料组织和性能的 影响 并就热压烧结方法Al基体中Si元素含量和不同制备工艺参数 对复合材料组织 物理性能和力学性能的影响进行了全面的分析和 测试 取得了如下主要结果Si C颗粒经表面改性预处理后 颗粒棱角钝化 形状接近于球形 颗粒 比表面积减小且其表面微观特征发生了变化 改善了界面结合 使 复合材料的热导率提高 DSC试验表明 Al与Si C在Al的熔点附近当保温时间较短时其热力学化学反应是不容易发生 的 优化了复合材料的具体制备工艺参数 用热压烧结法制备复合 材料 通过选择合适的工艺参数 所制备的复合材料有望获得优异 的综合性能 研究表明 当在A1基体中加入10wt Si元素使其合金化后 在650 保温20mi n 压力为30MPa下热压烧结 得到的Si Cp A1 Si复合材料组织致密 增强相在基体中分布均匀 TEM观察 表明 增强相与基体界面清晰 无过渡层和其它附加物 界面结合 良好 并确定了Al与Si C之间的位向关系 通过制备工艺参数 组织和性能优化的研究 所制备的Si Co A1 Si复合材料物理性能和力学性能较为优异 特别是该复合材料的热导率得到显著提高 较好的解决了Si Cp Al复合材料因Si C与Al润湿性差而导致其热导率偏低的I 口 J题 当在Al基体中添加10wt Si Si C粒度为301xm 烧结温度为650 C 压力为30MPa时 复合材料的热 导率可达189W m 1 K 其在50 400 C之间的平均热膨胀系数为 9 5 10西 抗弯强度可达300MPa 复合材料综合性能比较优异 能够满足电子封装材料的使用要求 关键词表面改性 热压烧结 Si Cp A1 Si复合材料 热导率 热膨胀系数11I东大学硕士学位论文ABSTRACT Focused on the problems ofpoorwettabil ityandsuscepti bleto interraci alreacti on between A1and Si C existed inSi Cp Al posites Si Cv AIand Si C Al Siposi tes were preparedwi thhot pressi ng si nteri ng techni quei nthisstudy throughsurface modifi cati on pretreatmentofSi Cparti cl es and adding Sito A1matri x Surfacemodi fi cati onpretreatmentofSi Cparti cl esandreacti on thermodynami csbetween A1and Si C werestudi edsystematical l y Thei nfluence ofdi fferentpreparation methodsonorgani zation andperformance oftheposi teWaSal soinvesti gated Structuralanal ysis physi calproperti esand mechani calpropertiesmeaSurement oftheposi tespreparedi ndi fferentprocessparameterswhi chcontai neddi fferentSicontents were carried out The main results achii evedwere summarizedas fol l owsAftersurface modifi cation pretreatment the angular ofSi Cparticl es becamepassivated the shapeofparticlesbecamecl osetospheri caland the specificsurfacearea ofparticlesdecreased Atthe sameti me the surfacemi croscopic featuresofSi Cparti cles changed whi chstrengthenedi nterfacebondingandi mprovedthermalconducti vi tyofthe posites It S shownby DSCki ic resultsthat thermodynamihemi calreactionbetweenA1and Si C couldn teasi ly happenwhen thetemperatureWas held nearbythe melti ngof A1for ashort time and theparameters offabri cationprocesswere02mi zed Bysel ecting appropriate processparameters posi tefabricated byhotpressi ngsi ntering technique WaSexpectedto getexcel lent overal lperformance The Si Cp A1positessi ntered at650 C for20mi nunder pressureof30MPa inwhi ch10wt Si wereadded into A1matrix wereprepared byhotpressi ngsi nteringtechnique The resultsshowed thatthe Si Cparti clesdi stributed uniforml y i nthepositematri x andoveral lpositewas dense The TEMstructureobservati onshowed thatthe clean interface betweenthe reinforcement and the matrixWasgai nedwi thoutany transient layerand otherreactants andthei nterfacebondingwas wel l The orientati onrel ationshi pbetween AIand Si C Wasal sodeci ded Thephysi calproperti tiesandmechanicalproperti esofsi c d Si positesnI JI东大学硕十学位论文were increased greatly throughthe optimi zationresearch ofthe preparation processparameters organi zationandperformance Especi al ly the thermalconductivi tyofthe positeswere si gnifi cantlyimproved sol vingtheprobl emofl owthermalconductivi tyofSi Cp A1posi teduetopoor wettabil itybetween A1and Si C When adding lOwt Sito AImatrixandthepati clesize ofSi Cwas30I tm theposi tesinteredat650 C underpressureof30MPa hadexcel lentproperti es The the姗al conductivi tycan reachas highas189W mq K 1 the averagecoeffi cientof thelTnalexpansi onbetween50 400 2Was9 5x10 S C andthe bending strengthwasupto300MPa Al lthese threeparameters canmeet therequi rementsofel ectronicpackagi ngmateri al s Keywordssurface modifi cation hotpressingsi ntering Si Cp A1 Siposi te thermal conductivity coeffi cientof thermalexpansionIII粗I东大学硕士学位论文l Vlfl东大学硕十学位论文1 1引言第一章绪论微电子技术的高速发 展对电子元器件封装材料提出了高导热 低膨胀 轻量化的要求 传统的电子封装材料难以兼顾这些要求 如AI Cu等虽然热导率好 但热膨胀系数较大 Invar Kovar合金的热膨胀系数小 但热导 率较差 W Mo等热导率高 热膨胀系数小 但密度较大fl胡 这些材料均难以满足电子封装材料的使用要求 为解决这些问题 开发高导热 低膨胀 轻质 低成本 可靠性高 的电子封装材料成为当务之急 由于传统的电子封装材料难以满足现代微电子技术对封装材料的提 出的要求 材料的复合化成为发展趋势 金属基复仑材料能够充分发挥金属基体和增强相各自的优势 把金 属基体的高导热和增强相的低膨胀 轻质的特点有机的结合起来 5 羽 金属基复合材料的这一独特的优点使它成为替代传统电子封装 材料的最佳选择 目前 金属基复合材料是国内外研究的热点课题之一 目前 综合性能最好的电子封装用复合材料是BeO Be 但因其有剧 毒籽 诲多国家开始限制应震 此外 哈尔滨工业大学赵敏等制 备了A1 A1N 50 复合材料 8 该复合材料综合性能优异 但 因A1 A1N复合材料成本太高 推广应用难度较大 到目前为止 颗粒及晶须增强的铝基复合材料其制备加工工艺日臻 成熟 理论研究逐步深入 部分产品已在电子封装领域得到了应用 目前研究较多的是Si CJAl复合材料 一方面是由于Si Cp本身具有较好的物理性能 另一方面是因为Si C 作为磨料其制备工艺已经非常成熟 价格较低的缘故 同时作为基体的Al也有着优良的物理性能 虽然目前研制的Si C Al复合材料的综合性能较之以往的材料有了较大的提高 僚由予 Si C颗粒与Al基体之间润湿性较差 并存在有害的界面化学反应 导致 两者之间界面结合较差 材料的热导率仍然不高 这极大地限制了 该复合材料的应用范围 因此 改善Si C颗粒与Al基体之间的润湿性成为目前研究工作的重点 有文献指出 9 改善润湿性的方法主要有Si C颗粒表面改性 Al基体合金化等 可以想象 一旦Si C颗粒与Al基体之间的润湿性提高 复合材料的界面结合将会得到改 善 良好的界面结合使得复合材料的物理性能和力学性能都会得到 提高 山东大学硕士学位论文因此 本文采用对Si C颗粒进行表面改性预处理 并在Al基体中添加Si元素使其合金化 在稳定和完善铝基复合材料热压烧结工艺基础上 通过深入研究Si Cr Al si复合材料的微观组织结构及其物理性能和力学性能 探讨其作为 电子封装材料的可行性 这对于丰富颗粒增强铝基复合材料的基础 理论研究具有非常重要的意义 1 2电子封装及电子封装材料1 2 1电子封装及其作用电子封装是 将具有一定功能的集成电路芯片放置在一个与之相匹配的外壳容器 中 为芯片提供一个可靠的工作环境 保护芯片不受或少受外部环 境的影响 使集成电路具有一定的功削121 对半导体电子元器件进行封装 可以起到散发热量 机械支撑 密 封保护等一系列的作用 13 151 电子元器件在工作状况下 自身会消耗一定的电能 其中有一部分电能会转化为热能 热能的不断聚积使得电子元器件 的温度不断升高 器件失效的可能性大大的增加 据报道 在半导体电子元器件中 当温度每升高18 C 它们失效的 可能性就增加了2 3倍 由于电子元器件的高速运转产生的热量甚至会使其局部温度达到400 这时 如果不及时将热量散发出去将会严重影响电子元器件的 使用寿命 另外 电子元器件的温度分布不均匀会使其噪声大大的增加 因此 为了保证电子元器件正常工作 其工作过程中产生的热量必 须尽快的传输出去 封装在热量向外传输的过程中起到了非常重要的作用 1岳171 在运输及日常使用中 电子元器件必须能够经受得住一定的压力 冲击和振动等 而封装材料的机械支撑作用为克服这些外力给电子元器件带来的损 害提供了有力的保证 电子元器件在存储和使用过程中 可能会遇到高温 潮湿的环境条 件 如果壳体封装不好 环境中的水汽进入壳体内部 会使芯片腐 蚀或电性能恶化 壳体密封保护可避免电子元器件受不利环境条件的影响 18 91 1 2 2电子封装材料及其研究现状作为一种理想的封装材料必须具 备以下特性 1 导热性能好 能够将热量2山东大学硕十学佗论文及时地传输出 去 2 热膨胀系数 CTE 与OaAs或Si芯片匹配 避免芯片因为热应力而 损坏 3 有足够的强度 对芯片能够起到机械支撑的作用 4 成本要低 能够满足大规模商业化应用的要求 5 密度要低 以减轻器件的质量 l 目前在封装中使用较多的有陶瓷材料 塑料 金属及金属基复合材 料等l矧 常用的电子封装材料及其基本性能如表l l所示 从表中可以看出 多数材料都不具各理想电予封装材料应具 备的综合特性 表1 1常用的电子封装材料的各项性能 2l lTabl e I 1Properti esofmateri als forel ectronicpackagi ng1 2 2 1陶瓷封装材料陶瓷封装属于气密性封装 这种封装方 式的优点楚 1 耐蚀性较好 不容易产生微裂现象 2 热膨胀系数小 热导率高 3 机械强度较高 4 气密性好 芯片和周围电路基本不受周围环境的影响 221 因此 它适用予航空 航天及需要高可靠 耐高温 气密性强的军 事工程产品的封装 在要求高性能密封的场合 可以选用陶瓷封装的方式 3山东大学硕 学位论文高密度 气密性陶瓷封装对陶瓷封装材料的 主要要求是热膨胀系数小 热导率高 耐湿性好 目前 常见的陶瓷封装基片材料主要有A 1203 BeO AIN和Si C等 A1203和BeO基片是较为常见和广泛使用的传统封装材料 但由于它 们存在着或综合性能差 成本高 或不环保等方面的问题难以满足 电子封装材料的发展要求 A1N陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料之一 单从导热方面来说 A1N远高于舢203 与BeO差不多 但A1N的热导 率随温度变化改变较小 而BeO的热导率却随温度升高下降较快 此 外 A1N陶瓷的热膨胀系数与Si比较接近 这能有效地避免由于热失 配而引起的失效 从而提高了电子元器件的可靠性 最后 A1N的弯 曲强度也明显高于BeO 加之其生产过程比较环保 这些优点使得A1 N有潜质成为一种综合性能良好的电子封装材料 23之41 尽管A1N有着优良的热物理性能及机械性能 但是目前来说它的价格 相对较高 加之它不易加工成形状复杂的部件 这限制了其应用范 围 在几种陶瓷封装材料中 Si C热导率很高 热膨胀系数也较低 但其介电常数太高 仅适用于密 度较低的封装 1 2 2 2塑料封装材料塑料封装材料成本低 工艺简单 在电子 封装材料中用量最大 发展最快 它是实现电子产品小型化 轻量化和低成本的一类非常重要的封装 材料 塑料封装材料曾存在着致密性不够 耐温性不足等问题 目前这些 问题正在被逐步解决 目前 迫切需要解决的是塑料封装材料的热膨胀系数与硅晶片材料 的不匹配问题 理想的塑料封装材料应具有以下性能 25 1 热膨胀系数小 热导率高 2 内部应力较小 3 吸水性 透湿率较低 4 与器件的粘附性好 5 阻燃性好 塑料封装材料多为热固性塑料 主要包括环氧类 酚醛类 聚酯类 和有机硅类 常见的有环氧模塑料 硅橡胶和聚酰亚胺等 1 2 2 3金属封装材料金属封装材料因其热导率和强度较高而较 早的应用到电子封装中 至今仍在研究 开发和推广 但是传统的金属封装材料热膨胀系数大 密度大等缺点限制了其广 泛应用 的热导率高 密度低 成本低 而且易加工成形 它的应用最为 广泛 4山东大学硕十学位论文但是Al的热膨胀系数与基底Si或GaAs相差较 大 电子元器件常因存在较大的热应力而发生失效 Cu的情况也是 如此 Invar和Kovar合金的热膨胀系数较小 焊接性能良好 但它们的电 阻很大 热导率也较低 仅适用于小功率器件的封装 W Mo的热膨胀系数与基底Si相近 热导率也较高 但W Mo与Si的 浸润性较差 需要在其表面涂覆Ag基合金或Ni等 261 从而提高了 成本 增加了工艺 降低了可靠性 另外 W Mo的密度较大 不宜在航空航天等领域使用 1 2 2 4电子封装用金属基复合材料为了解决单一陶瓷 塑料或 金属作为电子封装材料的种种缺点 满足电子封装材料发展的要求 材料的复合化成为必然趋势 金属基复合材料 MMC 能够将金属基体优异的导热性能和增强体材料 的低热膨胀系数结合起来 获得热导率高 热膨胀系数小并且与基 底材料匹配的复合材料 电子封装用金属基复合材料主要作用机理是微观强化 27 28 按基体类型可分为铝基 铜基 镁基和银基等 选用这些金属做基 体主要是由它们良好的导热 导电及优异的力学性能决定的 按增强物类型可分为自生增强金属基复合材料 连续纤维增强金属 基复合材料 非连续增强金属基复合材料等 一旦选定金属基体后 复合材料的性能将主要由增强体的本身性能 决定 对于金属基复合材料而言 其选用的增强体材料应具有低的热膨胀 系数 高的热导率 较低的成本 良好的化学稳定性 同时应与金 属基体材料润湿性良好 常用作金属基复合材料增强体的有 1 颗粒包括Si C A 1203 BeO AIN Si3N 4 Si02等 2 长纤维包括硼纤维 碳纤维等 3 晶须主要是Si C晶须 常见增强体的性能如表1 2所示 在各种金属基复合材料中 最先引起关注并得到大量发展的是Si Cp Al复合材料 这是因为一方面Si C颗粒作为增强体材料具有较低的热膨胀系数 较高的热导率以及较 低的密度 如表1 2所示 其CTE为4 5 10 6 与Si的CTE比 较接近 另一方面Si C颗粒价格较低 同时Al作为基体材料 具有高热导率 238W m I K 1 低密度 2 7趴m3 价格低廉和易于 J uT等优点 两种材料复合在一块 克服了各自的缺点 材料有望表现出优异的 综合性能 5山东大学硕士学位论文硼纤维Si C纤维 NL200 si岛A1203pBeqAINpSi3N4pB4CpTi B2pSi02pTi q金刚石Si C晶须表1 3给出了SiC捌与其它封装材料各种性能的比较 从表中可以看到 Si Cv Al的热导率约为Kovar合金的10倍 与Cu厂W的差不多 3ll 其 CTE值与GaAs CTE值为6 5x10 6 比较接近 并且其CTE值可通 过改变Si C的加入量来调节 从而它们的CTE可获得精确的哑Et32 在密度上 Si Cp Al密度较小 还不到Cu W的1 5 这对那些对密度比较敏感领 域的材料选用有较大优势 此外 SiC斛机械懂能优异鳓 其弹性模量约为Cu的两倍 抗弯强度 也很高 这可以保证封装结构的牢固性 总之 Si C乒畦是新型电子封装震金属基复含材料中比较有发展前景的材料 6石 麓92仉拍懈鸵硒姆sl豫 3333324243柏挖一一一一嬲一於H 一弛凝2勰垮2眦溅埔铃船m的骈鹞国捞孵狮 钲 龟tt乏L置重 自闯世以来受到国内外材料科学家极大的重视 经过20多年的不断 发展 SiC删作为 种重要的先进材料 正在部分取代传统的金属材 料应用在电子封装 航空航天等对材料性能要求较高的领域 尽前 许多国家把Si Cp Al复合材料作为2l世纪新材料研发的重点 1986年 美国Dural Alumi numComposi tes公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术 341 实现了用 铸造方法大规模生产铝基复合材料 并开始以铸锭的形式对外提供 各种零件 近年来 美国ACMC公司采用混合Al粉和Si C颗粒 然后在真空条件下热压成条坯 条坯可进行锻造 挤压等二 次成型加工瑟熨 这种复合材料的热膨胀系数和热导率可以通过调 整Si C颗粒的相对含量来控制 美国的DWA复合材料公司制备了50v01 55 1 Si C缮06l Al复合材料 采用的是粉末冶金工艺 复合材料密度为2 99g cm 一 热导率可达220W mq K 1136 性能优异 美国Al coa公司采用真空压铸法利用铝合金与多孔的Si C预制件制备得到了复合材料 37l 由此法制备的复合材料Si C体积分数可以达到很高 复合材料具有很强的商业竞争力 美国PCC AFT公司采用注射成形和压力浸渗法研制和生产了一系列 具有复杂形状的高性能Si C Al电子封装产品 此外 Lanxi de公司采用无7山东大学硕士学侮论文压浸渗法制各了SiC心复合材 料 其中SiC的体积分数在20 40 之间瑟8铡 Si C Al的CTE可以通过调整Si C颡粒的加入量来控制 在具体的应用过程中 可以使封装材料与基 片材料获褥精确的热匹配 从而使褥它们的结合处热应力最小 同 时又可以保证材料具有较高的热导率 国内一些单位 4041 从上世纪80后期开始了Si Cv Al复合材料的开发和试制工作 有的已经小批量试制成功 如 西北有色金属研究院采用压力浸渗法已经研制出了样品 上海交通 大学用真空反压渗透工艺也得到了成品 但大多数都存在生产成本太高 Si C体积含量偏低 热导率低等问题 离真正实现商业纯生产还有一定 的距离 1 3 2Si Cp Al复合材料的制备工艺及特点由于Si C与A1之间的润湿性较差 Si Cp Al复合材料的制备工艺一直是它的应用瓶颈 为了改善Si C与砧之间润湿性较差的问题 往往需要专门的设备 工艺过程变得 复杂 致使复合材料的生产成本变高 寻找一种低成本 高效率的制备方法一直以来都是国内外材料工作 者的研究重点 近三十年出现了许多制备方法 归纳起来主要有粉末冶金法 搅拌 铸造法 喷射沉积法和无压浸渗法等 1 3 2 1粉末冶金法瞄 粉末冶金法 Powder metall urgymethod 是一种比较成熟的制备工艺方法 可以壹接褥到复合材 料零部件 其基本原理是先将金属粉末与增强相颗粒按需要的比侈l j混合 然焉冷压烧结 或者采用热艇烧结使成形与烧结过程同步完 成 利用粉末冶金法制备铝基复合材料需要控制的比较重要的工艺参数 是烧结温度 烧结温度可以选择在固液两相区 即采用液相烧结 但更加通用的观点是选择在基体的固相线以下 这是因为 在温度很高的液相烧结条件下 增强相与基体很容易发 生有害的反应 粉末冶金法的优点在于增强相颗粒与基体粉末可以按任意比例混合 而且配比控制比较准确 此外 粉末冶金法工艺成熟 材料成形 温度较低 基本上不会发生界面反应 可选用细小的增强体颗粒 颗粒分布比较均匀 增强体体积分数可达到较高的水平 粉末冶金法的缺点是设备成本较高 复合材料在制备过程中容易出 现孔隙 有时需要进行轧制 挤压等二次加工 以提高材料的机械 性能此外 用粉末冶金法所制得的零件的形状和尺寸都受到 定的 限制 粉末冶金烧3I l I东大学硕十学位论文结过程须在密封 真空或有保护气氛存在的条 件下进行 材料制备周期较长 制约了粉末冶金法的大规模应用 1 3 2 2搅拌铸造法f45 46 搅拌铸造法 Sti rcasti ngmethod 简称熔铸法 是通过机械搅拌使增强相颗粒与液态或半固 态的合金混合 然后浇注成铸锭的技术 其基本原理是将增强相颗粒直接加入到基体合金熔体中 通过一定 的搅拌方式使增强相颗粒均匀的分布在基体合金熔体中 然后将混 合均匀的熔体浇铸成铸件 搅拌铸造工艺所采用的设备比较简单 若不在真空条件下或有惰性 气体保护下进行搅拌 搅拌过程产生的漩涡中难免会有气体和夹杂 物混入 易造成偏析 影响复合材料的性能 搅拌铸造法的优点是工艺简单 设备投赘少 生产效率离 可实现 规模化生产 搅拌铸造法的缺点是加入的增强体颗粒尺寸不能太小 否则会造成 增强体颗粒与基体金属液润湿性较差 使得增强体颗粒不易进入金 属液或在金属液中容易发生团聚和聚集 此外 用这种方法制备的 复合材料中普遍会发生界面反应 强烈的搅拌会造成金属液氧化 大量吸气及夹杂物混入 颗粒加入量也会受到一定的限制 通常情况下 用搅拌铸造法制备的Si C A1复合材料Si C的体积分数加入量不会很高 1 3 2 3喷射沉积法 47 48 喷射沉积法 Spray deposition method 是1969年由Swansea大学的Si nger教授首先提出 并由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术 其基本原理是液态金属在惰性气体流的作用下 通过特殊的喷雾方 式 分散成细小的雾化流 在金属液喷射雾化的同时 将增强体颗 粒加入到雾化的金属液中与其混合 并最终一起沉积在衬底上 凝 固形成金属基复合材料 喷射沉积法的优点是增强体颗粒与基体金属液接触时间较短 没有 发生严重的界面反应 增强体颗粒分布比较均匀 基体组织有快速 凝固特征 呈现细小的等轴晶形态 此外 喷射沉积法工艺流程短 工序简单 效率高 有利于实现规模化生产 喷射沉积法的缺点是设备比较昂贵 所制备的材料由于存在孔隙率 高等问题必须进行二次加工 9lll东大学硕士学位论文1 3 2 4无压浸渗法滞 蚓无压浸渗法 Pressurel essi nfil trationmethod 是由美困Lanxi de公司研制的一种复合材料的新型成形工艺 其基本原理是将基体合金放在可控气氛的加热炉中加热到其液相线 以上的温度 在不加任何压力的情况下 通过改善增强相与基体之 间的润湿性 使基体合金金属液依靠自身毛缨管力渗入到增强褶颗 粒预制件中 最终形成金属基复合材料 这种方法的本质是利用在N2或Ar气氛保护下使基体合金液对增强相 颗粒预制件进行自润湿 无压浸渗的先决条件是基体和增强相颗粒之间必须有良好的润湿能 力 通过控制制备过程条件 如合金成分 浸渗温度和保温时间等 可以获得较好的润湿 从而使浸渗过程得以顺利的进行 无压浸渗法的优点是浸渗过程中不需要外加压力作用 也不需要提 供真空条件 熔渗模具的材料选择也很容易 丽且不需要昂贵的设 备就能够制造大尺寸及形状复杂的制品 生产成本较低 无压浸渗法的缺点是基体与增强相的润湿性相对较差 复合的质量 受工艺参数影响较大 对助渗剂有很大的依赖性 材料质量不够稳 定 薹 3 3Si CdAl电子封装用复合材料的性能随着离密度 大功率 高频率集成 电路的快速发展 提高封装材料的热导率和降低其热膨胀系数成为 解决集成电路热控制问题的关键 高的热导率有利于电路高速运转过程中产生的热量快速的传输出去 而热膨胀系数与基底匹配对电子封装的可靠性影响很大 所以有必要对复合材料的导热性能和热膨胀性能进行深入的研究 13 3 1Si Cp Al电子封装用复合材料的导热性能热导率是电子封装用复合材 料的重要性能指标 散热效率的高低会影响电子元器件在使用过程 中的可靠性和寿命 SiC洲复合材料的热导率主要取决于各组分的导热能力 增强相的尺 寸和形貌 增强相体积分数 增强相与基体的界面等因素 国内外学者对此进行了一系列的研究 取得了较大的进展 1 基体成分对复合材料熟导率的影响Si C 影A1复合材料的基体成分对其热导率有一定的影响 Chi hiro Kawai发现相同Si C体积分数的Si CdAI复合材料 采用不同的基体时 个用纯舢作基体 10山东大 学硕十学位论文另一个采用含Si质量分数为11 的合金作基体 发 现用含Si的Al合金作基体的复合材料热导率较高 5 而在基体合金中 纯Al的热导率最高 随着其中Si元素含量的增加 基体合金的热导率降低 Chi hiro Kawai的研究表明 合金中Si元素的加入使得界面反应难以进行 降 低了复合材料的界面热阻 从而使得其热导率提高 褥宋美慧等人的研究表明 随着基体中Si元素添加量的增加 复合 材料的热导率呈现出降低的趋势 52 在颗粒增强的金属基复合材料中 金属基体主要靠自由电子来传递 热量 增强体颗粒主要靠声子来传热 当在合金中加入Si元素后 Si会对电子和声予的传热产生散射作用 合金中加入的Si元素越多 散射作用越强 因而复合材料的热导率 会降低 2 增强相颗粒尺寸及形貌对复合材料热导率的影响研究表明 增强 相颗粒尺寸越大 复合材料的热导率越高 Hassel man研究了不同SiC颗粒尺寸对SiC棚复合材料热导率的影响15孤 结果表翡 随着SiC颗粒尺寸增加 Si C 越复合材料中单位体积的界匾亟积减少 界面热阻降低 从而复 合材料的热导率提高 目前 颗粒形貌对复合材料热导率影响的研究较少 一般认为颗粒 形状越不规则 在相同体积分数下其表面积越大 界面热阻越大 因此其热导率越低 3 增强相体积分数对复合材料热导率的影响 增强相体积分数对复 合材料热导率的影响较大 耿林等人逶过研究Si Cw Al复合材料的热导率得出 随着Si C晶须体积分数增加 复合材料的热导率降低 54 对于金属来说 其传热主要依靠自由电子 在Si Cw Al复合材料中 随着晶须添加量增加 复合材料界面增加 晶 须的阻碍以及界面的散射作用 导致自由电子运动的平均自由程减 小 从而复合材料的热导率降低 吉元等人通过研究认为 在Si Cv Al复合材料中 加入的增强相的体积分数存在一个临界值 50 当Si C颗粒的含量超过临界值厦 基体合金的连续性被Si C颗粒切断 里断续状瑟弱 从而使得复合材料的热导率明显降低 4 基体与增强相的界面对复合材料的热导率的影响一般来说 Si Cp Al复合材料中基体与增强相之间的界面对其热导率的影响主要 包括以下几个方面第一 界面结合状态影响复合材料的热导率 当 基体与增强相之间形成润湿性的界面时 Si Cp Al复合材料的热导率较高 吉元等人在出东大学硕士学位论文采用扫描热显微镜研究Si CCAJ复合材料的热导率时发现疆捌 界面的类型与复合材料的宏观 热导率密切相关 当Al基体与Si C颗粒之阆形成润湿性界面时 复合材料晁面结合能力好 其热导率 较不润湿界西的复合材料要高很多 其二 界面反应对Si Cv Al复合材料的热导率影响比较显著 Chi hiro Kawai发现当Si Cp AI复合材料发生界面反应生成A14C3 并且A14C3在界面上析出 的量越多时 复合材料的热导率越低 sl 郭建等研究了Si Cp Al复合材料的界面 结果发现当在Al中添加适量的Si并对Si C颗粒表面进行一定的氧化处理时可以有效的抑制有害界面反应的发 生 5弼 从而使得复合材料的宏观热导率提高 1 3 3 2Si Cp Al电子封装用复合材料的热膨胀性能复合材料的热膨胀行为比 较复杂 热膨胀会使材料内部产生复杂的应力 这些复杂应力的存 在反过来又会约束和制约材料进一步的膨胀 并有可能使材料发生 一定的弹塑性交形 研究认为 复合材料的热膨胀系数主要取决于基体合金的热膨胀系 数和增强体通过基体 增强体界面对基体合金的制约程度 对于sic n1复合材料来说 一方面 砧基体的热膨胀系数随温度的 升高而增大 导致复合材料的热膨胀系数随温度的升高而增大 另 一方面 随着温度的升高 复合材料中基体 增强体界面的传载能 力下降 增强体对基体合金膨胀的制约能力降低 也导致复合材料 的热膨胀系数随温度的升高而增大 SiC洲复合材料的热膨胀系数远低于Al 并且其值大小还可以根据基 体和增强体的情况进行调整和控制 随着Si C颗粒体积分数的增加 复合材料的热膨胀系数将明显降低 此辩 增强相的尺寸 形状等也影响着复合材料的热膨胀行为 张建云等人通过研究指出 在温度低于200 C时 SiC捌复合材料的 热膨胀系数随温度升高有一定程度的增加 但高于200 时增幅要更 大一些f53 武高辉等人的研究结果也表明 Si Cp AI复合材料热膨胀系数随温度升高而增加 大约在300 C时达到最大 随后随温度升高热膨胀系数会降低1591 12山东大学硕十学位论文1 4选题意义及主要研究内容1 4 1选遂 意义Si Cr Al复合材料是 种新型的金属基复合材料 能够充分发挥Al基 体和Si C增强体的优势 把Al基体的高导热性和Si C增强体的低热膨胀系数有机的结合起来 具有高的热导率 低的热 膨胀系数和较高的强度 满足高性能的要求 复合材料在电子封装 航空航天等领域具有广泛的应用前景 Si Cp Al复合材料的研究始于上世纪八十年代 研究的国家主要是美 国 法国等发达国家 部分产品已进入实用 我国在上世纪八十年代后期开始这方面的研究工作 取得了 些进 展 但产品离实用还有一定的距离 目前这方面的研究雩 起了国家 有关部fj的重视 经过近三十年的发展 露前Si Cp Al复合材料所采用的制备工艺主要有粉末冶金法 搅拌铸造法 喷射沉积法和无压浸渗法 目前存在的问题主要是 1 SIC颗粒与Al基体之间润湿性较差 导致界面结合不好 复合材 料的组织致密性和热导率都受到一定的影响 2 SIC与Al易发生界面反应生成A14CH 降低复合材料的界面结合强 度 同时增大了界面热阻 使得复合材料热导率较低 3 制备工艺复杂 较难控制 成本较高 因此 寻求更适合于Si CD纨l复合材料的能够改善Si C颗粒与越基体之间润湿性的工艺及便予操作控制且成本低廉的制备 王艺 获碍优异的综合性能 是该复合材料研究和开发的关键 热压烧结法是近几年开发的复合材料制备新工艺 是对传统粉末冶 金法的一种改进 具有工艺简便 便于操作 增强相颗粒分布均匀 增强相与基体界面结合良好 及复合材料致密度高 热导率好等 优点 已成功地用于颗粒增强铜基复合材料的制备 取得良好效果 可以设想 该工艺也将适合于Si C Al复合材料的制备 因此 本课题的研究对我国金属基复合材料的研究与开发 促进电 子封装工业的发展 赶超国际先进水平具有重大的意义 并为Si Cp Al复合材料的制备工艺研究及其它金属基复合材料的研究提供 新的途径 同时对热压烧结法制备工艺的完善及颗粒增强金属基复 合材料的组织控制提供必要的理论和试验依据 13由东大学硕士学位论文1 4 2主要研究内容1 以反应热力学为 基础 对Si C颗粒进行表面改性预处理 并结合复合材料样品的预制备试验确定 复合材料的制各工艺及参数 2 研究Si C Al复合材料的组织形态 相组成 界薅结构及基体和增强相的微 观组织 重点研究Al基体合金化和不同烧结温度对Si Cp Al复合材料界面结构的影响及其作用机理 3 研究Si Cv Al复合材料的物理性能 包括致密度 热导率和热膨胀系数 重点研究其热物理性能 包括热导率和热膨胀系数 分析Si元素加 入量 Si C颗粒尺寸 烧结温度等对其热物理性能的影响 并建立理论预测模 型 探讨各因素对复合材料热物理性能的影响规律 4 研究Si C以姒复合材料的力学性能 包括硬度和抗弯强度 及断13形貌 探讨 各因素对复合材料力学性能的影响规律及复合材料的断裂机制 14Il J东大学硕十学位论文第二章方案设计与试验方法Si Cp Al复合材料作为一种新型先进材料 在电子封装 航空航天等 领域有着广阔的应用翦景 如何进一步改善其热物理性能和力学性 能 挖掘该新材料的应用潜力 是加快其应用开发的关键 由于Si Co Al复合材料的制备工艺的研究欠缺系统化 现存的结果很分散 需要解决的问题很多 因此 本章首先对制备工艺及需添加的合金元素等进行原理上的选 择 并结合预研中发现的问题 详细的制定实验方案 并解决诸如S i C和Al之间润湿性差等技术问题 为本课题的深入作好基础性与针对 性工作 2 1方案设计2 1 1制备工艺的选择制备工艺是影响复合材料组织 性能及英稳定性 生产成本的主要因素 对于Si Cp Al复合材料 由于比较容易发生界面反应及Si C与Al润湿性较差 传统的制备方法较难适应 热压烧结法能较好地适应于这种复合材料的制备 因为热压烧结法制备复合材料时温度较低 界面反应不容易发生 另外热压烧结中成形和烧结过程是同步进行的 通过对增强体颗粒 进行适当的预处理 经烧结得到的复合材料组织致密 增强体与基 体界面结合良好 可望获得较好的综合性能 因此 本课题拟采用热压烧结法制备Si Cp gl复合材料 2 1 2合金元素添加物的选择Si Cp Al复合材料合金元素添加物的选择原则是首先 合金元素添加 物应能够改善基体与增强体之间的润湿性 其次 合金元素添加物 与基体之间要有较小酶固溶度 以减小对基体热导率的影响 另外 合金元素添加物密度应尽可能小 热膨胀系数应尽可能低 以减 轻复合材料的重量及减小复合材料的热膨胀系数 Si的密度小 热膨胀系数小 且其在Al中的固溶度很小 如图2 1所 示 对热导率的影响相对较小 在铝中引入合金元素Si 一方面可 以进一步降低复合材料的热膨胀系数 另一方面Si可以抑制Si C与Al的界面反应 Si C AI Si A14C3 减小表面张力 改善SiC与Al之间的润湿性 Si能抑制SiC与Al的界面反应 15山东大学硕士学位论文改善SiC与 舢之间的润湿性已为Lee等人 删证实 综上所述 Si是一种比较理想的合金元素添加物 Wei ghtPercentSil ieoa图2 1AI Si二元合金相图 61lFi g 2 1Phase diagram ofAl一SiBi naryalloy2 1 3试验方案设计根据以上分析拟采取如图2 2所示 的试验方案 首先对原始的SiC粉末进行预处理 找出合适的预处理工艺 然后混 合Al粉 A1 Si粉 和预处理后的SiC粉末至均匀 然后进行反应热力 学试验和样品的预制备 以确定合适的复合材料的制备方法及制备 工艺参数 并通过向基体中加入合金元素 通过研究合金元素的加 入对复合材料界面结构的影响确定合金元素的合适的加入量 然后 进行复合材料的制备及组织 性能测试 其中组织检验主要包括相 组成 复合材料的组织形态 增强颗粒的分布均匀性 基体与增强 体的界面等 而性能测试主要包括物理性能如致密度 热导率 热 膨胀系数等和力学性能测试如抗弯强度 硬度等 最后进行试验结 果 分析及补充试验 确定优化工艺 16llj东大学硕士学位论文图2 2试验中采用的技术路线Fi g 2 2The flow routeused intheexperi ment2 2试验用原材料及方法2 2 1试验用原材料本试验采用雾化Al粉 粒度 75 tm Si粉 粒度 7 5弘xn A1 10Si会金粉 粒度 75灿 和正业化的SiC微米粉体 平 均粒度分别为509m 309m 为基本原料 各种材料的成分见表2 1表 2 1试验用原材料Tabl e2 1The materialsused intheexperi mentAl粉Si粉AI 10Si耪SiC耪17囊东大学硕士学位论文2 2