陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合材料的界面連續(xù)性控制

前言

隨著信息化時(shí)代的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代集成電路以及各類(lèi)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(diǎn)，故選用銅代替鋁制備電子封裝用銅基復(fù)合材料無(wú)疑是極具競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料之一。SiCp/Cu復(fù)合材料由于綜合了銅和增強(qiáng)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(jìn)行更多的探索和研究。

國(guó)際上對(duì)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(bào)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(shí)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(rùn)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(diǎn)在于:①如何改善SiC與Cu相互間的潤(rùn)濕性及化學(xué)相容性，解決兩者之間相互不潤(rùn)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(shí)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(qiáng)度，同時(shí)又保持SiCp的顆粒增強(qiáng)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(duì)復(fù)合粉體的組成和形貌進(jìn)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?jǐn)?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(duì)復(fù)合材料的微觀組織和界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和分析。測(cè)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(qiáng)相含量、顆粒大小和熱處理狀態(tài)等因素對(duì)復(fù)合材料熱物理性能的影響。

研究結(jié)果表明，通過(guò)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(shí)開(kāi)始熔化。SiC顆粒在銅基體中分布比較均勻，沒(méi)有明顯的偏聚現(xiàn)象。無(wú)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(qiáng)相含量的增加，材料的致密度均呈下降趨勢(shì)。在SiCp增強(qiáng)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(qiáng)相顆粒與銅基體之間的界面干凈，機(jī)械結(jié)合良好。在界面處，Cu元素與Si元素有少量的相互擴(kuò)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(qiáng)相SiCp體積分?jǐn)?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(shì);而在增強(qiáng)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?；瘜W(xué)鍍銅工藝可以明顯改善增強(qiáng)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(shí)降低其熱膨脹系數(shù)，可以實(shí)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(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)使得熱膨脹系數(shù)有所降低。

對(duì)SiCp/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試SiCp/Cu復(fù)合材料的硬度和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，并利用掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料的斷口進(jìn)行觀察和分析，分析復(fù)合材料斷裂機(jī)制。研究結(jié)果表明，隨著增強(qiáng)相SiCp體積分?jǐn)?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(qiáng)度呈連續(xù)下降趨勢(shì)。在增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度明顯低于退火處理前的SiCp/Cu復(fù)合材料。當(dāng)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，復(fù)合材料斷口兼有韌窩斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的特征;但當(dāng)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，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(zhǔn)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(xiàn)

第2章實(shí)驗(yàn)方案及研究方法

2.1實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

2.2實(shí)驗(yàn)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(guò)程

2.4分析測(cè)試方法

2.4.1組織觀察與分析

2.4.2熱物理性能測(cè)試

2.4.3力學(xué)性能測(cè)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(duì)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(xiàn)

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(qiáng)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(jī)制

4.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

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(duì)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.2顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.3增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.4化學(xué)鍍對(duì)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響

5.2.5退火處理對(duì)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(cè)

5.3SiCp/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能

5.3.1熱導(dǎo)率的測(cè)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(jì)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(cè)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(jì)算

5.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

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(qiáng)相含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

6.2.2增強(qiáng)相顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

6.2.3SiC顆粒表面化學(xué)鍍銅對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

6.2.4退火處理對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

6.3SiCp/Cu復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度

6.3.1增強(qiáng)相含量對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

6.3.2SiC顆粒表面化學(xué)鍍銅對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

6.3.3退火處理對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)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(xiàn)