黃海濱 ，冀恩龍 ，于寶義 ，鄭 黎 ，李潤霞 ，2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870；2.東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523000）

高硅鋁合金作為電子封裝材料，其質(zhì)量僅為傳統(tǒng)金屬基W-Cu電子封裝材料的六分之一，且高硅鋁合金具有很好的熱導(dǎo)性能，線膨脹系數(shù)可控[1]，能與電路板廣泛使用的半導(dǎo)體材料相匹配。因此，作為基片襯底、機殼及蓋板等材料可保證電子器件在使用過程中不致受熱或開裂而過早失效。

目前，其主要制備方法[2,3]有噴射沉積法、粉末冶金法、加壓浸滲法、無壓浸滲法和真空加壓法。英國Osprey公司采用噴射沉積方法及后續(xù)加工處理制備Sip/Al合金的技術(shù)最為成熟，其生產(chǎn)的Sip/Al電子封裝材料內(nèi)部組織均勻、性能優(yōu)良，其中CE7、CE9合金由于與芯片熱膨脹系數(shù)的匹配度高，已被成功應(yīng)用于微波電路封裝及航空航天飛行器電子系統(tǒng)中[4]。但其存在著許多缺點，如很多關(guān)鍵的工藝參數(shù)如氣流速度、液流直徑、熔體溫度等難以控制，一般只能通過經(jīng)驗把握。由于粉體噴射中的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性及飛行方式造成陶瓷顆粒分布不均勻，只能通過改變噴霧參數(shù)和后續(xù)工藝減小或消除這種不均勻性，噴射成型的半成品孔隙度大約為5%，必須經(jīng)過二次加工，提高生產(chǎn)成本。楊培勇等[5]采用粉末冶金液相燒結(jié)工藝制備了 Si-50%Al(質(zhì)量分數(shù))電子封裝材料，認為高壓壓制與高溫燒結(jié)相結(jié)合的方法可以獲得熱導(dǎo)性能理想的復(fù)合材料。CHIEN等[6]采用加壓浸滲的方法制備出性能優(yōu)良的Sip/A1電子封裝材料，其熱膨脹系數(shù)為 6 ×10-6～8×10-6℃-1，熱導(dǎo)率大于120 W/（m·K），密度為2.4～2.59g/cm3。但該方法工藝復(fù)雜，成本較高。

由于Al的活性很高，所以在鋁顆粒表面會形成一層氧化膜，在燒結(jié)過程中元素的擴散受阻，難以形成冶金粘結(jié)，導(dǎo)致合金致密度下降。因此，壓制合金坯錠時，采用粉末熱壓方式壓制坯錠[7]。在壓制坯錠的過程中，由于粉末中含有大量初晶硅，硅相顆粒的硬度高，加劇了模具的磨損，故在壓制過程中采用塑性較好的純鋁材料作為包套封裝[8，9]。

本文利用粉末冶金法制備了Si含量為60%的合金坯錠，并探索了合金熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、密度以及致密度隨模具溫度的變化規(guī)律，研究了不同模具溫度下合金的組織差別。

1 試驗材料及方法

本試驗所采用的試驗材料為平均粒度為30μm的鋁粉和硅粉，成分為Al-60wt.%Si，具體如表1所示。將混合好的粉末裝入純鋁包套（尺寸為?70mm×70mm）中，輕微振實，預(yù)熱到 300℃，保溫20min，模具在 300℃、350℃、400℃、450℃保溫 1h，將粉末放入模具中，在500T四柱液壓機上進行坯錠的壓制，壓制比壓為900MPa，使用石墨油對模具進行潤滑，壓坯形貌（?70mm×36mm）如圖1所示。將壓制好的坯錠放入真空燒結(jié)爐并抽真空至10-3Pa后，以5℃/min的升溫速度均勻升至900℃；在設(shè)定的燒結(jié)溫度下保溫2h，使元素粉末之間發(fā)生充分擴散，生成均勻組織；保溫結(jié)束后，試樣在真空環(huán)境下隨爐冷卻。

采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察材料的微觀組織，試樣經(jīng)過打磨、拋光后，采用Kroll溶液進行腐蝕；腐蝕液由HF、HNO3和H2O按照體積百分比1：3：7的比例配制而成，腐蝕時間10s。采用DXF-200型熱導(dǎo)儀測量其熱導(dǎo)率（試樣尺寸：?12.7mm×2mm）；使用精度為0.0001g的電子天平測量其密度并計算其致密度；采用Unitherna Dilatometer Systerm Series 1000熱膨脹儀測試材料的室溫～100℃、室溫～150℃的平均熱膨脹系數(shù)，升溫速率2℃/min。

表1 試驗主要原料

圖1 壓坯形貌

2 結(jié)果分析及討論

2.1 顯微組織

如圖2所示為壓坯截面圖，可以看出，在高壓下對粉末進行擠壓，壓坯較為致密，在模具溫度高于300℃時，粉末都能很好的成型。但需要對其進行后期燒結(jié)處理，通過液相燒結(jié)中的顆粒重排，可以有效的促進材料的進一步致密化，提高材料的性能。

圖2 壓坯截面形貌

圖3 為經(jīng)真空燒結(jié)以后材料的顯微組織。可以看出，經(jīng)過真空燒結(jié)的合金，細小的Si顆?；鞠В琒i相尺寸相對于原始Si顆粒有了明顯的長大，且形貌發(fā)生了鈍化，這是因為在900℃真空燒結(jié)，有助于促進Si相在Al液相中的溶解-沉淀過程。材料內(nèi)部細小的Si顆粒、顆粒表面曲率大的部位因具有飽和溶解度而優(yōu)先在Al相中溶解。同時Al相中部分過飽和的Si原子在大顆粒的表面或具有負曲率的部位析出。故在高溫下，材料內(nèi)部Si顆粒尺寸增大，原有的細小Si顆粒大部分消失，顆粒形狀發(fā)生鈍化。如圖3a所示，當模具溫度為300℃時，材料內(nèi)部硅顆粒發(fā)生比較嚴重的團聚，硅相尺寸較大且存在著大量的細小孔隙；如圖3b所示，當模具溫度為350℃時，Si顆粒形成連續(xù)骨架，而凝固的Al圍繞Si顆粒間隙呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布，材料內(nèi)部基本沒有孔洞；如圖3c所示，模具溫度達到400℃，Si相發(fā)生了一定的團聚，Al相形成了連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但材料內(nèi)部出現(xiàn)一定數(shù)量的孔洞；如圖3d所示，當模具溫度達到450℃后，硅顆粒團聚非常嚴重，團聚在一起的硅顆粒阻礙了Al液對顆粒之間間隙的填充，造成合金內(nèi)部大量孔隙的的形成，且孔洞尺寸增大，孔隙球化。

圖3 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的顯微組織

2.2 密度及致密度

致密度計算公式如下所示：

式中，ρ是材料的實測密度；ρth是材料的致密度；ρ1是材料的理論密度。

復(fù)合材料理論密度：

式中，ρ1是復(fù)合材料的理論密度；Vi是復(fù)合材料組分的體積分數(shù)；ρSi為 2.34g/cm3；ρAl為 2.70g/cm3。表2列出了不同硅含量的Si/Al復(fù)合材料的理論密度，可以看出Si/Al復(fù)合材料的密度相對較低，因此，可以應(yīng)用在電子器件、航空零部件等領(lǐng)域。

由圖4可知，隨著模具溫度的升高，燒結(jié)體材料的密度和致密度都呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢。當模具溫度達到350℃時，燒結(jié)體材料的致密度與密度均達到最大值，分別為98.8%與2.465g/cm3。模具溫度對材料致密度影響主要取決于其對顆粒塑性的影響，當模具溫度較低時，顆粒塑性小，變形困難，顆粒接觸方式為點接觸，顆粒之間接觸不緊密，坯錠內(nèi)部留下大量的孔隙，導(dǎo)致燒結(jié)體材料內(nèi)部存在孔隙，影響材料的性能。而當模具溫度達到350℃時，鋁顆粒塑性提高，在力和熱的作用下，發(fā)生大變形，顆粒之間接觸更緊密，材料的密度及致密度提高。隨著模具溫度的進一步提高，在壓制坯錠的過程中，材料內(nèi)部Si顆粒相互依存粘結(jié)在一起，形成多孔集團，而這樣的顆粒集團，在燒結(jié)過程中無法通過顆粒重排而消除，且硅顆粒阻礙了液相燒結(jié)過程中鋁液對孔隙的填充，造成材料內(nèi)部存在大量的孔洞，影響材料的性能，模具溫度進一步提高，這樣的顆粒集團更多，材料性能下降。

表2 不同Si含量下Si-Al復(fù)合材料密度的理論計算值

圖4 不同模具溫度下合金的密度及致密度

硅鋁復(fù)合材料經(jīng)過熱壓成型加真空燒結(jié)后的致密化程度高，這主要是粉末具有不規(guī)則的顆粒形貌，粉末顆粒之間容易咬合，而模具溫度越高，粉末在熱和力的作用下發(fā)生變形越容易，相互間產(chǎn)生滑動，靠摩擦使粉末表面的氧化膜破碎，從而使粉末顆粒之間的接觸更緊密，同時，顆粒表面的氧化膜破碎也極大的提升了燒結(jié)過程中液相對固相的潤濕性，使得燒結(jié)體材料的致密度更高。

2.3 熱導(dǎo)率

電子封裝材料的熱導(dǎo)率是判斷封裝材料能否有效地消散芯片所產(chǎn)生熱量的主要指標。由圖5可以看出，隨著模具溫度的升高，燒結(jié)體材料的熱導(dǎo)率呈先上升后下降的趨勢，當模具溫度達到350℃時，材料的熱導(dǎo)率達到最大值115W/（m·K）。

圖5 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的熱導(dǎo)率

當模具溫度較低時合金內(nèi)部鋁基體不能形成完整的連通網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時模具溫度過低，粉末成型困難，內(nèi)部留下大量孔隙。這些孔隙在燒結(jié)過程中不能消除，材料的熱導(dǎo)率值降低。而當模具溫度達到350℃時，粉末在熱和力的作用下，相互接觸更加緊實，內(nèi)部孔隙減少，燒結(jié)體材料致密度提高，結(jié)合圖2的顯微組織，同時材料內(nèi)部鋁基體形成連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖6所示為Al-Si復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖，其中彌散均勻的Si顆粒形成連續(xù)骨架，而凝固Al圍繞Si顆粒間隙，呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布，連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于材料的導(dǎo)熱，材料的熱導(dǎo)率提高。當模具溫度繼續(xù)升高，顆粒與顆粒之間相互咬合粘接在一起更容易，局部偏聚的硅顆粒相互粘接的幾率更大，相互粘接的硅顆粒內(nèi)部存在孔洞，而通過燒結(jié)過程中的顆粒重排很難消除這些孔洞，相互粘接在一起的硅顆粒也阻礙了液態(tài)鋁的流通通道，使得液態(tài)鋁不能填充進這些間隙中，造成材料內(nèi)部大量孔洞的出現(xiàn)，孔洞的增加提高了材料的界面熱阻，這些孔洞中存在著空氣，空氣的熱導(dǎo)率很低，嚴重降低了材料的熱導(dǎo)率。

圖6 Al-Si復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]

2.4 熱膨脹系數(shù)

根據(jù)Turner[11]模型，可計算出Al-60wt.%Si合金熱膨脹系數(shù)理論值。

式中，α、V、K分別表示熱膨脹系數(shù)、第二相體積分數(shù)和體彈性模量。

純鋁的熱膨脹系數(shù)高達23.6×10-6℃-1，而純硅的熱膨脹系數(shù)僅為（2.8～7.2）×10-6℃-1，由公式（3）可計算Al-60wt.%Si合金的理論熱膨脹系數(shù)為10.5×10-6℃-1，因此理論上高硅含量的鋁硅復(fù)合材料能夠滿足電子封裝對封裝材料熱膨脹性能的要求，熱膨脹性能是電子封裝材料非常重要的性能，而熱膨脹系數(shù)是評價熱膨脹性能的指標之一，如圖7所示為材料在室溫～100℃、室溫～150℃下的平均熱膨脹系數(shù)。模具溫度為350℃時材料的熱膨脹系數(shù)達到最大值10.8×10-6℃-1，且最為接近其理論計算值。

圖7 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的平均熱膨脹系數(shù)

燒結(jié)體中存在的孔隙由于在受熱時沒有膨脹，可以看成膨脹為零的剛性第三相，因此按照復(fù)合材料的加和規(guī)律，孔隙是會降低材料熱膨脹系數(shù)的，由于Al基體的彈性模量比Si小，這樣強度較大的Si顆粒對Al基體的膨脹起到很強的抑制作用，能有效的降低材料的熱膨脹系數(shù)。由圖7可以看出，模具溫度為300℃時，材料的熱膨脹系數(shù)較低，偏離理論值較大，這主要是由于材料內(nèi)部Al基體不能形成連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，同時材料內(nèi)部存在著大量尺寸較小的孔洞，孔洞的存在也會導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)降低；當模具溫度為350℃時，Al基體以連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布，使材料的熱膨脹系數(shù)升高，同時內(nèi)部孔隙較少，材料的平均熱膨脹系數(shù)較大，故模具溫度為350℃時，材料的熱膨脹系數(shù)達到最大值，且該溫度下材料的熱膨脹系數(shù)最為接近其理論計算值。而當模具溫度進一步升高至400℃、450℃時，材料內(nèi)部孔洞增多且尺寸變大，降低了材料的熱膨脹系數(shù)，Al基體仍然以網(wǎng)絡(luò)狀分布，一定程度上提高了材料的熱膨脹系數(shù)，但此時，材料內(nèi)部的孔洞是影響材料熱膨脹系數(shù)的主要原因。

3 結(jié)論

（1）當模具溫度為350℃時，Si相能夠較為均勻的分布于鋁基體中，同時Al相形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙較少，而當模具溫度繼續(xù)升高，材料內(nèi)部孔隙增多，尺寸變大，逐漸球化。

（2）對于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率隨模具溫度的變化而成先上升后下降的趨勢，當模具溫度為350℃時，燒結(jié)體材料熱導(dǎo)率達到最大值115 W/（m·K）。

（3）對于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)受材料內(nèi)部孔隙的影響較大。當模具溫度為350℃時，燒結(jié)體材料平均熱膨脹系數(shù)達到最大值，分別為室溫～100℃的平均熱膨脹系數(shù)為10.3×10-6℃-1，室溫～150℃時的平均熱膨脹系數(shù)為10.8×10-6℃-1。

（4）對于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，燒結(jié)體合金的致密度隨模具溫度的提高而呈先上升后下降的趨勢。模具溫度達到350℃時，合金的致密度及密度達到最大值，分別為2.465g/cm3和98.8%。