陶瓷顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的界面連續(xù)性控制基本信息

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(dǎo)率比鋁高的特點，故選用銅代替鋁制備電子封裝用銅基復(fù)合材料無疑是極具競爭力的候選材料之一。SiCp/Cu復(fù)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(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但目前有關(guān)該體系的理論研究與應(yīng)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(fù)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(xué)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(yīng)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(yīng)，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(xué)鍍銅工藝制備了Cu包覆SiCp復(fù)合粉體，并對復(fù)合粉體的組成和形貌進行了分析。以該復(fù)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(fù)合材料，并利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和電子探針(EPMA)對復(fù)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(fù)合材料的熱膨脹性能、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)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(fù)合材料熱物理性能的影響。

研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)鍍銅工藝，可以獲得Cu包覆SiCp復(fù)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(fù)合粉體，還是利用未包覆粉體制備的SiCp/Cu復(fù)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(fù)合粉體制備的SiCp/Cu復(fù)合材料的致密度要略高于由未包覆粉體制備的SiCp/Cu復(fù)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(fù)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(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)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(fù)合材料的平均線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率越高。化學(xué)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(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，同時降低其熱膨脹系數(shù)，可以實現(xiàn)熱/電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的良好結(jié)合。適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砉に嚳梢悦黠@提高SiCp/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，消除復(fù)合材料制備過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時使得熱膨脹系數(shù)有所降低。

對SiCp/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了測試。測試SiCp/Cu復(fù)合材料的硬度和三點彎曲強度，并利用掃描電鏡(SEM)對復(fù)合材料的斷口進行觀察和分析，分析復(fù)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(fù)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(fù)合粉體制備的SiCp/Cu復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料。當(dāng)增強相體積分數(shù)為30%時，復(fù)合材料斷口兼有韌窩斷裂和準解理斷裂的特征;但當(dāng)增強相體積分數(shù)為50%時，復(fù)合材料斷口中僅存在少量的撕裂棱和韌窩形貌，復(fù)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(xué)鍍銅概述

1.3.1化學(xué)鍍銅的發(fā)展

1.3.2化學(xué)鍍銅原理

1.4銅基復(fù)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(fù)合材料的性能

1.5.1熱物理性能

1.5.2力學(xué)性能

1.6SiCp/Cu復(fù)合材料的應(yīng)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(fù)合材料制備工藝

2.3.1Cu包覆SiC復(fù)合粉體的制備

2.3.2復(fù)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(xué)性能測試

第3章Cu包覆SiCp復(fù)合粉體的制備及表征

3.1引言

3.2Cu包覆SiCp復(fù)合粉體制備工藝

3.2.1鍍前處理工藝

3.2.2化學(xué)鍍銅溶液的組成

3.2.3化學(xué)鍍銅工藝

3.2.4不同工藝參數(shù)對化學(xué)鍍銅反應(yīng)速度的影響

3.3Cu包覆SiCp復(fù)合粉體的成分及形貌

3.4Cu包覆SiCp復(fù)合粉體的熱物理性能

3.5小結(jié)

參考文獻

第4章SiCp/Cu復(fù)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(fù)合材料的顯微組織

4.2.1不同SiCp含量的SiCp/Cu復(fù)合材料的顯微組織

4.2.2SiCp/Cu復(fù)合材料中增強相和基體的微觀組織特征

4.3SiCp/Cu復(fù)合材料的密度與致密度

4.4SiCp/Cu復(fù)合材料的界面研究

4.5SiCp/Cu復(fù)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(fù)合材料的熱物理性能

5.1引言

5.2SiCp/Cu復(fù)合材料的熱膨脹性能

5.2.1溫度對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.2顆粒尺寸對復(fù)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(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.4化學(xué)鍍對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.5退火處理對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.6SiCp/Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)模型預(yù)測

5.3SiCp/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能

5.3.1熱導(dǎo)率的測試

5.3.2SiCp/Cu復(fù)合材料導(dǎo)熱分析

5.3.3SiCp/Cu復(fù)合材料熱傳導(dǎo)理論計算基礎(chǔ)

5.4SiCp/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)電性能

5.4.1電導(dǎo)率的測試

5.4.2SiCp/Cu復(fù)合材料導(dǎo)電性分析

5.4.3SiCp/Cu復(fù)合材料電導(dǎo)率的理論計算

5.5小結(jié)

參考文獻

第6章SiCp/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能

6.1引言

6.2SiCp/Cu復(fù)合材料的硬度

6.2.1增強相含量對復(fù)合材料硬度的影響

6.2.2增強相顆粒尺寸對復(fù)合材料硬度的影響

6.2.3SiC顆粒表面化學(xué)鍍銅對復(fù)合材料硬度的影響

6.2.4退火處理對復(fù)合材料硬度的影響

6.3SiCp/Cu復(fù)合材料的彎曲強度

6.3.1增強相含量對復(fù)合材料彎曲強度的影響

6.3.2SiC顆粒表面化學(xué)鍍銅對復(fù)合材料彎曲強度的影響

6.3.3退火處理對復(fù)合材料彎曲強度的影響

6.4SiCp/Cu復(fù)合材料斷口的掃描電鏡觀察

6.5小結(jié)

參考文獻