高性能陶瓷顆粒增強銅基復合材料的組織與性能研究

前言

隨著信息化時代的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代集成電路以及各類電器元件電子封裝的發(fā)展要求。由于銅具有熱膨脹系數(shù)比鋁低、熱導率比鋁高的特點，故選用銅代替鋁制備電子封裝用銅基復合材料無疑是極具競爭力的候選材料之一。SiCp/Cu復合材料由于綜合了銅和增強體的優(yōu)良特性而具有較好的導熱、導電性能和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)，因此具有非常廣闊的應用前景。但目前有關(guān)該體系的理論研究與應用研究尚不成熟，迫切需要進行更多的探索和研究。

國際上對SiCp/Cu體系的研究起步較晚，直到1996年才有了關(guān)于該體系的相關(guān)報道。該領(lǐng)域發(fā)展比較緩慢的主要原因在于，一方面很難實現(xiàn)Cu和SiC顆粒的均勻分散，另一方面則與兩者之間高溫不潤濕有關(guān)。制備SiC/Cu金屬陶瓷復合材料的主要技術(shù)難點在于:①如何改善SiC與Cu相互間的潤濕性及化學相容性，解決兩者之間相互不潤濕情況下的結(jié)合和均勻、穩(wěn)定分散。②如何避免由兩者熱膨脹不匹配引起的界面熱應力，從而實現(xiàn)致密化燒結(jié)。③如何合理控制SiCp和Cu高溫下的反應，從而既保證界面結(jié)合強度，同時又保持SiCp的顆粒增強效果。

筆者選用工業(yè)化的SiC微米粉體材料，采用化學鍍銅工藝制備了Cu包覆SiCp復合粉體，并對復合粉體的組成和形貌進行了分析。以該復合粉體為原材料，利用真空熱壓燒結(jié)和非真空熱壓燒結(jié)兩種工藝制備了SiCp體積分數(shù)分別為30%、40%和50%的SiCp/Cu復合材料，并利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和電子探針(EPMA)對復合材料的微觀組織和界面微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察和分析。測試了不同工藝、不同成分下SiCp/Cu復合材料的熱膨脹性能、導熱性能和導電性能等熱物理性能，并分析了增強相含量、顆粒大小和熱處理狀態(tài)等因素對復合材料熱物理性能的影響。

研究結(jié)果表明，通過適當?shù)幕瘜W鍍銅工藝，可以獲得Cu包覆SiCp復合粉體，而且Cu包覆層比較均勻地分布在SiC顆粒表面，Cu包覆層的厚度約為1μm。DSC分析結(jié)果表明，SiC顆粒表面的Cu包覆層在990℃時開始熔化。SiC顆粒在銅基體中分布比較均勻，沒有明顯的偏聚現(xiàn)象。無論是利用Cu包覆SiCp復合粉體，還是利用未包覆粉體制備的SiCp/Cu復合材料，隨著SiCp增強相含量的增加，材料的致密度均呈下降趨勢。在SiCp增強相含量相同的情況下，利用Cu包覆SiCp復合粉體制備的SiCp/Cu復合材料的致密度要略高于由未包覆粉體制備的SiCp/Cu復合材料;SiC增強相顆粒與銅基體之間的界面干凈，機械結(jié)合良好。在界面處，Cu元素與Si元素有少量的相互擴散，還可以觀察到少量的Cu3Si相的形成。

本研究制備的SiCp/Cu復合材料具有優(yōu)異的熱物理性能。隨著增強相SiCp體積分數(shù)的增加，SiCp/Cu復合材料的熱膨脹系數(shù)、熱導率和電導率均呈明顯的下降趨勢;而在增強相含量一定的情況下，SiC顆粒尺寸越大，SiCp/Cu復合材料的平均線膨脹系數(shù)、熱導率和電導率越高?；瘜W鍍銅工藝可以明顯改善增強相粒子與基體銅之間的界面結(jié)合，提高SiCp/Cu復合材料的熱導率和電導率，同時降低其熱膨脹系數(shù)，可以實現(xiàn)熱/電導率和熱膨脹系數(shù)的良好結(jié)合。適當?shù)耐嘶鹛幚砉に嚳梢悦黠@提高SiCp/Cu復合材料的熱導率和電導率，消除復合材料制備過程中產(chǎn)生的殘余應力，同時使得熱膨脹系數(shù)有所降低。

對SiCp/Cu復合材料的力學性能進行了測試。測試SiCp/Cu復合材料的硬度和三點彎曲強度，并利用掃描電鏡(SEM)對復合材料的斷口進行觀察和分析，分析復合材料斷裂機制。研究結(jié)果表明，隨著增強相SiCp體積分數(shù)的增加，復合材料的布氏硬度先是逐漸升高而后逐漸下降，但是彎曲強度呈連續(xù)下降趨勢。在增強相含量和顆粒尺寸相同的情況下，利用Cu包覆SiCp復合粉體制備的SiCp/Cu復合材料，其硬度值和彎曲強度均略高于采用未包覆粉體制備的SiCp/Cu復合材料;在增強相含量和顆粒尺寸相同的情況下，退火處理后的SiCp/Cu復合材料，其硬度值和彎曲強度明顯低于退火處理前的SiCp/Cu復合材料。當增強相體積分數(shù)為30%時，復合材料斷口兼有韌窩斷裂和準解理斷裂的特征;但當增強相體積分數(shù)為50%時，復合材料斷口中僅存在少量的撕裂棱和韌窩形貌，復合材料的斷裂方式主要以準解理斷裂為主。

目錄

第1章緒論

1.1引言

1.2電子封裝及電子封裝材料

1.2.1電子封裝及其作用

1.2.2電子封裝材料及其性能

1.3化學鍍銅概述

1.3.1化學鍍銅的發(fā)展

1.3.2化學鍍銅原理

1.4銅基復合材料的制備方法

1.4.1粉末冶金法

1.4.2擠壓鑄造法

1.4.3原位自生成法

1.4.4噴射沉積法

1.5電子封裝用銅基復合材料的性能

1.5.1熱物理性能

1.5.2力學性能

1.6SiCp/Cu復合材料的應用及展望

參考文獻

第2章實驗方案及研究方法

2.1實驗技術(shù)路線

2.2實驗用原材料

2.3復合材料制備工藝

2.3.1Cu包覆SiC復合粉體的制備

2.3.2復合材料制備工藝過程

2.4分析測試方法

2.4.1組織觀察與分析

2.4.2熱物理性能測試

2.4.3力學性能測試

第3章Cu包覆SiCp復合粉體的制備及表征

3.1引言

3.2Cu包覆SiCp復合粉體制備工藝

3.2.1鍍前處理工藝

3.2.2化學鍍銅溶液的組成

3.2.3化學鍍銅工藝

3.2.4不同工藝參數(shù)對化學鍍銅反應速度的影響

3.3Cu包覆SiCp復合粉體的成分及形貌

3.4Cu包覆SiCp復合粉體的熱物理性能

3.5小結(jié)

參考文獻

第4章SiCp/Cu復合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)

4.1引言

4.2熱壓燒結(jié)SiCp/Cu復合材料的顯微組織

4.2.1不同SiCp含量的SiCp/Cu復合材料的顯微組織

4.2.2SiCp/Cu復合材料中增強相和基體的微觀組織特征

4.3SiCp/Cu復合材料的密度與致密度

4.4SiCp/Cu復合材料的界面研究

4.5SiCp/Cu復合材料中Cu的氧化機制

4.6小結(jié)

參考文獻

第5章SiCp/Cu復合材料的熱物理性能

5.1引言

5.2SiCp/Cu復合材料的熱膨脹性能

5.2.1溫度對復合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.2顆粒尺寸對復合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.3增強相體積分數(shù)對復合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.4化學鍍對復合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.5退火處理對復合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.6SiCp/Cu復合材料熱膨脹系數(shù)模型預測

5.3SiCp/Cu復合材料的導熱性能

5.3.1熱導率的測試

5.3.2SiCp/Cu復合材料導熱分析

5.3.3SiCp/Cu復合材料熱傳導理論計算基礎(chǔ)

5.4SiCp/Cu復合材料的導電性能

5.4.1電導率的測試

5.4.2SiCp/Cu復合材料導電性分析

5.4.3SiCp/Cu復合材料電導率的理論計算

5.5小結(jié)

參考文獻

第6章SiCp/Cu復合材料的力學性能

6.1引言

6.2SiCp/Cu復合材料的硬度

6.2.1增強相含量對復合材料硬度的影響

6.2.2增強相顆粒尺寸對復合材料硬度的影響

6.2.3SiC顆粒表面化學鍍銅對復合材料硬度的影響

6.2.4退火處理對復合材料硬度的影響

6.3SiCp/Cu復合材料的彎曲強度

6.3.1增強相含量對復合材料彎曲強度的影響

6.3.2SiC顆粒表面化學鍍銅對復合材料彎曲強度的影響

6.3.3退火處理對復合材料彎曲強度的影響

6.4SiCp/Cu復合材料斷口的掃描電鏡觀察

6.5小結(jié)

參考文獻