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        封裝SiCp/Cu復(fù)合材料組織性能研究

        2013-11-05 00:30:48杜建全王開坤田麗倩
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料模型

        杜建全,王開坤,周 璐,田麗倩

        (1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京,100083;2.中航三林集團(tuán)鈦業(yè)有限公司,山東 淄博,255086)

        隨著航空航天和國防微波電路、微電子器件、半導(dǎo)體集成電路向大功率、小型化、輕量化、高密度組裝化以及高性能、高可靠性方向的發(fā)展,對電子封裝材料提出了更高要求[1]。傳統(tǒng)的封裝材料往往在某個(gè)性能上存在不足,如因瓦合金、可伐合金雖然具有較低的熱膨脹系數(shù),但導(dǎo)熱性能很差;某些金屬如Cu、Al具有很好的導(dǎo)熱性,但熱膨脹系數(shù)過大;Mo和W的熱物理性能較好,但難于焊接,不易加工,且密度大、價(jià)格高。因此,開發(fā)新型高性能電子封裝材料成為必然趨勢[2-4]。

        碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料就是在此背景下新近出現(xiàn)的一種新型封裝材料,SiCp/Cu材料結(jié)合了碳化硅低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度以及銅的高導(dǎo)熱性、韌性,是一種頗為理想的封裝材料[5]。為此,本文采用粉末冶金法制備不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Cu復(fù)合材料,并對其顯微組織、熱物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究,以期為封裝SiCp/Cu復(fù)合材料的制備工藝提供依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 材料

        本實(shí)驗(yàn)所用基體材料為錫青銅粉末,顆粒尺寸約為74μm,其中Sn含量約為10%,其熔化起始溫度為862℃,熔化結(jié)束溫度為1011℃,流動性為30~35s/50g,密度為2.6~3.5g/cm3。增強(qiáng)體材料為不規(guī)則形狀的SiC顆粒,平均顆粒尺寸為10μm。高溫下SiC顆粒與Cu基體易發(fā)生界面反應(yīng)生成Cu3Si等中間合金,而且青銅與SiC顆粒的潤濕性很差,所以在復(fù)合材料中需添加少量的Al粉末。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 SiCp/Cu復(fù)合材料制備

        按照預(yù)先設(shè)定比例配制SiC、銅合金粉和Al粉末,并將其放入球磨機(jī)中通過機(jī)械濕混法進(jìn)行均勻混合,混粉時(shí)間為1h。將混粉均勻的粉末在YT32-200C型四柱液壓機(jī)上進(jìn)行冷壓致密化,對壓制后的復(fù)合材料進(jìn)行排蠟處理以去除壓坯中的黏結(jié)劑,然后對壓坯進(jìn)行無壓燒結(jié),燒結(jié)溫度為800℃,保溫時(shí)間為1h,分別制備出SiC體積分?jǐn)?shù)為20%、35%、50%的SiCp/Cu復(fù)合材料試樣。

        1.2.2 試樣表征

        采用NEOPHOTO21型金相顯微鏡、LEO-1450型掃描電鏡對制備不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiC/Cu復(fù)合材料試樣進(jìn)行組織觀察;采用 WCP型熱膨脹儀、DZL402C型熱分析儀對試樣熱物理性能進(jìn)行測定;采用TH320型洛氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 SiCp/Cu復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)

        圖1為不同體積分?jǐn)?shù)SiC制備SiCp/Cu復(fù)合材料的金相組織照片。由圖1可看出,SiC體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)復(fù)合材料SiC顆粒分布均勻,未觀察到氣孔。但隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增大,復(fù)合材料中的氣孔、孔洞增多,增強(qiáng)相出現(xiàn)偏聚,且SiC體積分?jǐn)?shù)越大,增強(qiáng)相的偏聚現(xiàn)象越加嚴(yán)重。

        圖2為SiC體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)SiCp/Cu復(fù)合材料的SEM照片。由圖2(a)可看出,SiCp/Cu復(fù)合材料的組織致密,無裂紋、氣孔;基體晶界明顯,晶粒細(xì)?。籗iC顆粒與基體結(jié)合良好,個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)堆砌、偏聚現(xiàn)象,偏聚區(qū)有少量空洞。這是由于SiC形狀不規(guī)則且硬度極大,因此在壓制過程中,相鄰顆粒之間有時(shí)出現(xiàn)滑動、移位,甚至出現(xiàn)孔洞。由圖2(b)可看出,SiC與青銅合金之間的界面結(jié)合主要依靠機(jī)械咬合,增強(qiáng)體與基體之間主要依靠粗糙面相互嵌入互鎖來進(jìn)行連接,復(fù)合材料界面干凈且緊密。

        圖2 SiCp/Cu復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs of SiCp/Cu composite

        2.2 SiCp/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率分析

        青銅基體與SiC增強(qiáng)相的熱導(dǎo)率分別為245、120W/m·K,采用幾何模型、Maxwell模型和Bruggement模型[6]對不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率進(jìn)行理論計(jì)算,其熱導(dǎo)率理論值變化曲線如圖3所示。由圖3可看出,不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率曲線相差不大,也就是說,在相同的增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)下,按照不同模型計(jì)算的復(fù)合材料熱導(dǎo)率值相差不大,其理論計(jì)算模型均以假設(shè)增強(qiáng)相的圓球形為基礎(chǔ)。

        圖3 SiCp/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率理論值與SiC體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between theoretical value of thermal conductivity of SiCp/Cu composites and volume fraction of SiC

        通過對不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Cu復(fù)合材料進(jìn)行熱導(dǎo)率測量,SiC體積分?jǐn)?shù)為20%、35%、50%的復(fù)合材料熱導(dǎo)率分別為167、145、130W/m·K。由此可看出,復(fù)合材料熱導(dǎo)率的實(shí)際值小于理論值,這在很大程度上表明粉末冶金法制備復(fù)合材料具有一定的孔隙率。SiCp/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著SiC含量的增多而減小,這與理論計(jì)算值相符合。事實(shí)上,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不僅是增強(qiáng)體含量的函數(shù),而且還受到其顆粒尺寸及分布情況的影響。

        2.3 SiCp/Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)分析

        取SiC顆粒與銅基體熱膨脹系數(shù)分別為5.12×10-6、16.15×10-6K-1,楊氏模量分別為450、110GPa,泊松比分別為0.142、0.3,采用ROM模型、Turner’s模型和Kerner模型對不同體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Cu復(fù)合材料進(jìn)行計(jì)算,其熱膨脹系數(shù)理論值如圖4所示。由圖4可看出,SiCp/Cu復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)理論值隨著SiC含量的增多而減小。

        圖4 SiCp/Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與SiC體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal expansion coefficient of SiCp/Cu composites and volume fraction of SiC

        本研究所測SiC體積分?jǐn)?shù)分別為20%、35%、50%的SiCp/Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)實(shí)際值分別為10.2×10-6、8.6×10-6、9.6×10-6K-1。由圖4對比可知,當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)分別為20%、35%時(shí),復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)實(shí)際值小于上述3種模型的理論值,而當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí),復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較Turner’s模型理論值小。各種模型計(jì)算的熱膨脹系數(shù)雖隨著增強(qiáng)相的增多而減小,但當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí),復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)反而比SiC體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)的大,這是因?yàn)槠渲旅芏鹊?,?fù)合材料中含有大量氣孔而嚴(yán)重影響熱膨脹系數(shù)。

        圖5為SiC增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化。由圖5可看出,復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)在溫度為50~500℃范圍內(nèi)有升高趨勢,且在100℃溫區(qū)時(shí)升高速率較快,復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)控制在(10.2~12.7)×10-6K-1范圍內(nèi),這與理論值具有匹配性,表明此復(fù)合材料熱穩(wěn)定性良好,可滿足電子封裝材料的要求。

        圖5 SiC體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)SiCp/Cu復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)曲線Fig.5 Thermal expansion coefficient curve of SiCp/Cu composites with 20%volume fraction of SiC

        2.4 SiCp/Cu復(fù)合材料硬度分析

        本研究測定了SiC體積分?jǐn)?shù)分別為20%、35%、50%時(shí)SiCp/Cu復(fù)合材料的硬度,其結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出,復(fù)合材料的硬度值隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的上升先提高,隨后有所降低。這是由于當(dāng)SiC含量增加時(shí),復(fù)合材料中受到外界壓力時(shí)有效載體增多,因此材料的承載能力增強(qiáng),復(fù)合材料硬度值提高。但隨著SiC含量繼續(xù)上升時(shí),SiCp/Cu復(fù)合材料致密度減小,孔隙率增大,從而導(dǎo)致SiCp/Cu復(fù)合材料的硬度值降低。由此可看出,在SiCp/Cu復(fù)合材料中,當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)小于35%時(shí),復(fù)合材料的硬度值變化取決于SiC含量;當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)大于35%時(shí),復(fù)合材料的硬度值取決于致密度。

        圖6 不同體積分?jǐn)?shù)SiC時(shí)SiCp/Cu復(fù)合材料硬度值Fig.6 Hardness of SiCp/Cu composites with different volume fractions of SiC

        3 結(jié)論

        (1)隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的上升,SiCp/Cu復(fù)合材料的氣孔、孔洞增多,其增強(qiáng)相偏聚,且SiC體積分?jǐn)?shù)越大,增強(qiáng)相的偏聚現(xiàn)象越嚴(yán)重。

        (2)隨著SiC含量的升高,SiCp/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率減小,其熱膨脹系數(shù)先減小后增大,硬度值先提高后降低。在SiCp/Cu復(fù)合材料中,當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)小于35%時(shí),復(fù)合材料的硬度值變化取決于SiC含量;當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)大于35%時(shí),復(fù)合材料的硬度值取決于致密度。

        [1]方明,王愛琴,謝敬佩,等.電子封裝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料熱處理技術(shù),2011,40(4):84-87.

        [2]王常春,朱世忠,孟令江.銅基電子封裝材料研究進(jìn)展[J].臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2008,30(6):43-47.

        [3]蔡輝,王亞平,宋曉平,等.銅基封裝材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2009,23(8):24-28.

        [4]Z Jianhua,L Lei,H Guohua,et al.Study on composite electroforming of Cu/SiCpcomposites[J].Materials Letters,2004,58:1634-1637.

        [5]陳棟.粉末冶金法制備SiCp/Cu復(fù)合材料工藝研究[D].西安:西安科技大學(xué),2009.

        [6]G F Celebi Efe,I Altinsoy,M Ipek,et al.Some properties of Cu-SiC composites produced by powder metallurgy method[J].Kovove Mater,2011,49:131-136.

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