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        熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料性能影響的研究

        2012-09-05 05:33:16
        電子與封裝 2012年11期
        關(guān)鍵詞:熱循環(huán)熱導(dǎo)率鋁合金

        牛 通

        (南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

        1 前言

        隨著航空航天、大規(guī)模集成電路、高功率軍事通信設(shè)備等方面的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的電子封裝材料己經(jīng)逐漸滿足不了這些領(lǐng)域的要求,而SiCp/Al復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率、低線膨脹系數(shù)、密度小等優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的應(yīng)用前景[1~3]。同時(shí),SiCp/Al復(fù)合材料制成的器件如雷達(dá)收發(fā)組件、大功率發(fā)射機(jī)、空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)等,經(jīng)常工作在比較苛刻的環(huán)境中,特別是工作環(huán)境溫度常處于波動(dòng)的狀態(tài)。關(guān)于溫度波動(dòng)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料及器件性能的影響報(bào)道較少。為此,筆者從材料的角度,研究了熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的CTE、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度的影響,以便在SiCp/Al復(fù)合材料設(shè)計(jì)及使用時(shí),爭(zhēng)取把不利影響降到最低限度,使SiCp/Al復(fù)合材料制成的器件能穩(wěn)定、正常地工作。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)中所用的SiCp/Al復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱SiCp/Al)是從國(guó)防科技大學(xué)采購(gòu),其中SiCp體積分?jǐn)?shù)為64%,鋁合金基體為Al6063,增強(qiáng)體SiC顆粒采用三種粒度搭配,平均粒徑分別為45μm、20μm和10μm。

        2.2 實(shí)驗(yàn)過程

        根據(jù)器件實(shí)際的工作溫度,制定如下熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程:首先準(zhǔn)備好200℃的油浴和0℃的冰水混合物,把SiCp/Al放進(jìn)油浴中保溫90s后,迅速放進(jìn)冰水混合物中,冷卻后取出,拭去SiCp/Al表面的水后,再放進(jìn)油浴中,如此反復(fù)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中,分別測(cè)定了熱循環(huán)50次、100次、200次、300次時(shí)SiCp/Al的CTE(熱膨脹系數(shù))、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度。

        2.3 測(cè)量方法

        熱膨脹系數(shù)在DIL402PC型熱膨脹儀上測(cè)量,樣品尺寸為Ф5mm×20mm,測(cè)量時(shí)從室溫以5℃/min的速率升到500℃。熱導(dǎo)率的測(cè)量依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11108-89,熱擴(kuò)散系數(shù)采用JR-3型激光導(dǎo)熱儀測(cè)定,所用樣品尺寸為Ф10mm×4mm。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的測(cè)量依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10422-79,在WDW-100材料萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,樣品尺寸為3mm×4mm×36mm,壓頭下移速率為0.5mm/min,跨距為30mm。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 鑄態(tài)SiCp/Al的熱膨脹行為分析

        圖1為處理前(鑄態(tài))SiCp/Al的CTE隨溫度的變化曲線,測(cè)試溫度范圍從室溫到500℃。從整體上看,SiCp/Al的CTE隨溫度的升高而逐漸增大,這與文獻(xiàn)[4]、[5]的研究結(jié)果一致。根據(jù)熱膨脹數(shù)值的變化規(guī)律,筆者把該曲線分為4個(gè)溫度階段:(1)第一個(gè)階段為室溫到180℃,在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),CTE與溫度是成比例增加的線性關(guān)系;(2)第二個(gè)階段為180℃~250℃,在這個(gè)區(qū)間CTE隨溫度升高而增加的幅度變大,即溫度-CTE曲線的斜率增大;(3)第三個(gè)階段為250℃~425℃,在這個(gè)區(qū)間CTE隨溫度升高而增加的幅度變小,它們之間的斜率小于第一個(gè)階段,即SiCp/Al的CTE趨于穩(wěn)定,隨溫度增加變化不明顯;(4)第四個(gè)階段為425℃~500℃,在這個(gè)溫度區(qū)間,CTE隨溫度的增加而略有降低。對(duì)于這一現(xiàn)象,筆者將對(duì)其機(jī)理進(jìn)行初步的探討。

        圖1 CTE隨溫度的變化曲線

        圖2 基體中所受應(yīng)力示意圖

        為了便于分析,筆者假設(shè)SiC顆粒為球形,其表面均勻地包裹著一層Al合金,且其界面結(jié)合良好,無孔隙等缺陷,參考文獻(xiàn)[6]當(dāng)溫度有一ΔT變化時(shí),基體中某點(diǎn)受力分析如圖2所示。

        式中σr為徑向應(yīng)力,σθ為環(huán)向應(yīng)力,Vp為體積分?jǐn)?shù),a為顆粒半經(jīng),r為基體受力點(diǎn)到顆粒中心的徑向距離,P為界面應(yīng)力,α為CTE,υ為泊松比,E為彈性模量,ΔT為溫度差,m、p分別代表基體和增強(qiáng)相顆粒。

        從式(1)~式(3)可看出,在其他參數(shù)一定時(shí),隨著溫度差ΔT的增大,界面應(yīng)力P增大;在顆粒附近,基體中應(yīng)力隨r的減小而增大,在基體與顆粒增強(qiáng)相的界面處達(dá)到最大,塑性變形最可能開始于界面。當(dāng)顆粒附近基體某點(diǎn)的應(yīng)力滿足|σr-σθ|>σY時(shí),此點(diǎn)將有產(chǎn)生塑性變形的傾向,σY為基體的拉伸屈服強(qiáng)度。

        在SiCp/Al成形后的降溫過程中,由于基體的收縮程度遠(yuǎn)大于SiCp的收縮程度,所以基體中將產(chǎn)生拉應(yīng)力,而SiCp中將產(chǎn)生壓應(yīng)力。這些應(yīng)力隨著復(fù)合材料溫度的降低,而被“冷凍”起來。

        在熱膨脹儀上測(cè)量CTE時(shí),當(dāng)溫度從室溫逐漸升高到180℃的過程中,CTE與溫度是呈線性比例增加的。隨著溫度的繼續(xù)升高,當(dāng)溫度在180℃~250℃時(shí),SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率顯著變大,這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí),由公式(3)可以得知復(fù)合材料中的界面應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)界面應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí),即|σr-σθ|>σY時(shí),界面應(yīng)力將使鋁合金基體發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生了額外的變形量,這種額外的變形量,使SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率變大。當(dāng)溫度繼續(xù)增加,SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率開始變小,到425℃時(shí)斜率變?yōu)?,溫度繼續(xù)升高,斜率開始變?yōu)樨?fù)值,即CTE不再隨溫度的增加而增加。這主要是因?yàn)楫?dāng)升到較高溫度階段時(shí),鋁合金基體強(qiáng)度降低,鋁合金開始有了較好的塑性,鋁基體中的界面應(yīng)力部分被消除,由應(yīng)力引起的膨脹減少,此外,具有一定強(qiáng)度的SiC預(yù)制件使鋁基體分割成許多部分,鋁基體的膨脹便被限制在SiC預(yù)制件的孔隙中,能很好束縛其膨脹,在這些因素的協(xié)同作用下,SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率開始變小甚至變?yōu)樨?fù)值。

        3.2 熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al熱膨脹性能的影響

        圖3為熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al 的CTE的影響,圖中5條CTE曲線分別對(duì)應(yīng)于處理前的鑄態(tài)、熱循環(huán)50次、100次、200次和300次時(shí)SiCp/Al的熱膨脹性能。由圖可知,在低溫階段(溫度小于180℃),處理前后SiCp/Al的CTE曲線基本重合,即在此溫度范圍內(nèi)熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al的CTE無明顯影響。經(jīng)熱循環(huán)后,SiCp/Al在200℃~500℃之間的CTE明顯降低,當(dāng)熱循環(huán)進(jìn)行50次時(shí),在室溫至500℃內(nèi)的平均CTE已從11.7×10-6/℃降到8.1×10-6/℃;繼續(xù)進(jìn)行熱循環(huán)SiCp/Al的CTE略有降低,當(dāng)熱循環(huán)進(jìn)行到200次和300次時(shí),SiCp/Al的CTE在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)已經(jīng)完全重合,室溫至500℃內(nèi)的平均CTE為7.5×10-6/℃。

        圖3 熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al 的CTE的影響

        經(jīng)熱循環(huán)50次后測(cè)量的CTE,在180℃時(shí)未出現(xiàn)如處理前中的CTE躍升,這是因?yàn)榻?jīng)熱循環(huán)后,SiCp/Al中的殘余應(yīng)力被逐漸釋放,既使溫度升高其界面應(yīng)力也已不足以使鋁合金基體發(fā)生塑性變形,同時(shí),SiC會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生壓應(yīng)力,該壓應(yīng)力將抑制基體的膨脹,所以復(fù)合材料在180℃~300℃間CTE只有少量增加。隨著溫度繼續(xù)升高,鋁基體強(qiáng)度大大降低,此時(shí)SiCp/Al的殘余應(yīng)力被強(qiáng)度很低的鋁合金基體所吸收[7],即殘余應(yīng)力得到了充分釋放。此外,由于低強(qiáng)度的鋁合金基體被分隔在SiC預(yù)制件的孔隙中,極大束縛了基體的膨脹,所以在300℃~500℃的區(qū)間內(nèi),復(fù)合材料的CTE沒有隨溫度升高而增加,反而略有降低。

        隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,SiCp/Al中殘余應(yīng)力的釋放逐漸趨于平緩,其CTE開始變得穩(wěn)定,由圖3可知熱循環(huán)200次和300次時(shí)兩曲線已完全重合。

        圖4為分別對(duì)SiCp/Al進(jìn)行退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后的CTE曲線,從圖中可以看出,在低溫階段,經(jīng)退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后SiCp/Al的CTE基本重合;在高溫階段,經(jīng)退火處理+熱循環(huán)處理后的SiCp/Al有更低的CTE。

        圖4 不同處理對(duì)CTE的影響

        3.3 熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響

        圖5為熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響,由圖可知,隨著循環(huán)次數(shù)的增加SiCp/Al的熱導(dǎo)率有了一定的增加,然后其熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。圖6為熱循環(huán)對(duì)鋁合金基體熱導(dǎo)率的影響,在熱循環(huán)的初始階段,基體的熱導(dǎo)率呈下降趨勢(shì),但隨著循環(huán)次數(shù)的增加,其熱導(dǎo)率逐漸恢復(fù)到熱循環(huán)前的水平??梢?,SiCp/Al熱導(dǎo)率的改善,不是由于基體的熱導(dǎo)率提高作用的結(jié)果,可能是增強(qiáng)體-基體界面出現(xiàn)了某種改善,以下筆者作進(jìn)一步的探討。

        圖5 熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響

        在SiCp/Al中,鋁合金基體主要通過自由電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱,而SiCp增強(qiáng)體主要是通過聲子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱。當(dāng)它們組成復(fù)合材料時(shí),電子和聲子對(duì)材料熱傳導(dǎo)共同起作用。SiCp/Al在制造過程中,會(huì)產(chǎn)生大量界面,同時(shí)增加了缺陷產(chǎn)生的可能性,文獻(xiàn)[8]指出,在SiC顆粒加入后鋁基體中的位錯(cuò)量比加入前增加了約100倍;此外,由于鋁基體、SiCp增強(qiáng)體之間熱膨脹的不匹配,使SiCp/Al中產(chǎn)生殘余應(yīng)力,而熱循環(huán)減少了復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力,因此降低了因殘余應(yīng)力而引起的點(diǎn)陣畸變對(duì)電子和聲子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用,從而提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

        圖6 熱循環(huán)對(duì)鋁基體熱導(dǎo)率的影響

        3.4 熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al彎曲強(qiáng)度的影響

        材料的強(qiáng)度與其微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系,對(duì)復(fù)合材料而言,其強(qiáng)度與材料的界面和增強(qiáng)體的強(qiáng)度密切相關(guān)。在復(fù)合材料中,增強(qiáng)體與基體之間的界面負(fù)責(zé)傳遞加載時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力。在復(fù)合材料的界面附近,材料物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性使增強(qiáng)體和基體合金之間產(chǎn)生了熱力學(xué)不平衡,因此,界面結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的傳遞和斷裂過程起著決定性的作用。當(dāng)復(fù)合材料承受外加載荷時(shí),產(chǎn)生的應(yīng)力在材料內(nèi)部分布不均勻,界面的結(jié)構(gòu)會(huì)改變應(yīng)力的分布,材料的界面越宏觀,越易形成應(yīng)力集中,界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力就會(huì)下降[9]。SiCp與鋁合金之間的界面結(jié)合主要屬于機(jī)械結(jié)合,在增強(qiáng)體與基體合金之間主要依靠粗糙表面互鎖作用進(jìn)行連接。由圖7可知,SiCp/Al中增強(qiáng)體SiCp與基體之間的界面結(jié)合良好,使復(fù)合材料的界面能很好地傳遞載荷。

        圖7 SiCp/Al的斷面SEM形貌

        圖8為熱循環(huán)對(duì)SiCp/Al彎曲強(qiáng)度的影響,由圖可知,SiCp/Al的強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增多先稍有增加,然后呈下降的趨勢(shì),該現(xiàn)象與復(fù)合材料在熱循環(huán)中鋁合金基體發(fā)生了時(shí)效作用有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)中熱循環(huán)的上限溫度約為200℃,在鋁合金最佳的時(shí)效溫度范圍內(nèi)[10],在熱循環(huán)的前50次時(shí),對(duì)復(fù)合材料中的鋁基體而言,相當(dāng)于時(shí)效了近2h,基體強(qiáng)度提高,表現(xiàn)為復(fù)合材料的強(qiáng)度有所增加,但隨著循環(huán)次數(shù)的增加,即時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),鋁合金發(fā)生了過時(shí)效,鋁基體的強(qiáng)度將呈下降趨勢(shì),這直接導(dǎo)致了復(fù)合材料強(qiáng)度的降低。可見,過多次數(shù)的熱循環(huán)對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度反而不利。

        圖8 熱循環(huán)對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)鑄態(tài)SiCp/Al的CTE曲線進(jìn)行了分析,在不同的溫度范圍內(nèi)SiCp/Al的熱膨脹行為由不同的因素控制。

        (2)殘余應(yīng)力對(duì)SiCp/Al的性能有很大的影響,熱循環(huán)可以顯著降低SiCp/Al中的殘余應(yīng)力。

        (3)經(jīng)熱循環(huán)后SiCp/Al的CTE顯著降低,30℃~500℃之間的平均CTE為7.5×10-6/℃;熱導(dǎo)率有所提高,達(dá)175W(m·K)-1;抗彎強(qiáng)度比處理前有所降低,為354MPa。

        (4)在低溫階段,經(jīng)退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后SiCp/Al的CTE基本重合;在高溫階段,經(jīng)退火處理+熱循環(huán)處理后的SiCp/Al具有更低的CTE。

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