高性能陶瓷颗粒增强铜基复合材料的组织与性能研究

前言

随着信息化时代的迅速发展，传统的电子封装材料已经不能满足现代集成电路以及各类电器元件电子封装的发展要求。由于铜具有热膨胀系数比铝低、热导率比铝高的特点，故选用铜代替铝制备电子封装用铜基复合材料无疑是极具竞争力的候选材料之一。SiCp/Cu复合材料由于综合了铜和增强体的优良特性而具有较好的导热、导电性能和可调的热膨胀系数，因此具有非常广阔的应用前景。但目前有关该体系的理论研究与应用研究尚不成熟，迫切需要进行更多的探索和研究。

国际上对SiCp/Cu体系的研究起步较晚，直到1996年才有了关于该体系的相关报道。该领域发展比较缓慢的主要原因在于，一方面很难实现Cu和SiC颗粒的均匀分散，另一方面则与两者之间高温不润湿有关。制备SiC/Cu金属陶瓷复合材料的主要技术难点在于:①如何改善SiC与Cu相互间的润湿性及化学相容性，解决两者之间相互不润湿情况下的结合和均匀、稳定分散。②如何避免由两者热膨胀不匹配引起的界面热应力，从而实现致密化烧结。③如何合理控制SiCp和Cu高温下的反应，从而既保证界面结合强度，同时又保持SiCp的颗粒增强效果。

笔者选用工业化的SiC微米粉体材料，采用化学镀铜工艺制备了Cu包覆SiCp复合粉体，并对复合粉体的组成和形貌进行了分析。以该复合粉体为原材料，利用真空热压烧结和非真空热压烧结两种工艺制备了SiCp体积分数分别为30%、40%和50%的SiCp/Cu复合材料，并利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子探针(EPMA)对复合材料的微观组织和界面微观结构进行了观察和分析。测试了不同工艺、不同成分下SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能、导热性能和导电性能等热物理性能，并分析了增强相含量、颗粒大小和热处理状态等因素对复合材料热物理性能的影响。

研究结果表明，通过适当的化学镀铜工艺，可以获得Cu包覆SiCp复合粉体，而且Cu包覆层比较均匀地分布在SiC颗粒表面，Cu包覆层的厚度约为1μm。DSC分析结果表明，SiC颗粒表面的Cu包覆层在990℃时开始熔化。SiC颗粒在铜基体中分布比较均匀，没有明显的偏聚现象。无论是利用Cu包覆SiCp复合粉体，还是利用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料，随着SiCp增强相含量的增加，材料的致密度均呈下降趋势。在SiCp增强相含量相同的情况下，利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料的致密度要略高于由未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;SiC增强相颗粒与铜基体之间的界面干净，机械结合良好。在界面处，Cu元素与Si元素有少量的相互扩散，还可以观察到少量的Cu3Si相的形成。

本研究制备的SiCp/Cu复合材料具有优异的热物理性能。随着增强相SiCp体积分数的增加，SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数、热导率和电导率均呈明显的下降趋势;而在增强相含量一定的情况下，SiC颗粒尺寸越大，SiCp/Cu复合材料的平均线膨胀系数、热导率和电导率越高。化学镀铜工艺可以明显改善增强相粒子与基体铜之间的界面结合，提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率，同时降低其热膨胀系数，可以实现热/电导率和热膨胀系数的良好结合。适当的退火处理工艺可以明显提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率，消除复合材料制备过程中产生的残余应力，同时使得热膨胀系数有所降低。

对SiCp/Cu复合材料的力学性能进行了测试。测试SiCp/Cu复合材料的硬度和三点弯曲强度，并利用扫描电镜(SEM)对复合材料的断口进行观察和分析，分析复合材料断裂机制。研究结果表明，随着增强相SiCp体积分数的增加，复合材料的布氏硬度先是逐渐升高而后逐渐下降，但是弯曲强度呈连续下降趋势。在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下，利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料，其硬度值和弯曲强度均略高于采用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下，退火处理后的SiCp/Cu复合材料，其硬度值和弯曲强度明显低于退火处理前的SiCp/Cu复合材料。当增强相体积分数为30%时，复合材料断口兼有韧窝断裂和准解理断裂的特征;但当增强相体积分数为50%时，复合材料断口中仅存在少量的撕裂棱和韧窝形貌，复合材料的断裂方式主要以准解理断裂为主。

目录

第1章绪论

1.1引言

1.2电子封装及电子封装材料

1.2.1电子封装及其作用

1.2.2电子封装材料及其性能

1.3化学镀铜概述

1.3.1化学镀铜的发展

1.3.2化学镀铜原理

1.4铜基复合材料的制备方法

1.4.1粉末冶金法

1.4.2挤压铸造法

1.4.3原位自生成法

1.4.4喷射沉积法

1.5电子封装用铜基复合材料的性能

1.5.1热物理性能

1.5.2力学性能

1.6SiCp/Cu复合材料的应用及展望

参考文献

第2章实验方案及研究方法

2.1实验技术路线

2.2实验用原材料

2.3复合材料制备工艺

2.3.1Cu包覆SiC复合粉体的制备

2.3.2复合材料制备工艺过程

2.4分析测试方法

2.4.1组织观察与分析

2.4.2热物理性能测试

2.4.3力学性能测试

第3章Cu包覆SiCp复合粉体的制备及表征

3.1引言

3.2Cu包覆SiCp复合粉体制备工艺

3.2.1镀前处理工艺

3.2.2化学镀铜溶液的组成

3.2.3化学镀铜工艺

3.2.4不同工艺参数对化学镀铜反应速度的影响

3.3Cu包覆SiCp复合粉体的成分及形貌

3.4Cu包覆SiCp复合粉体的热物理性能

3.5小结

参考文献

第4章SiCp/Cu复合材料的微观组织结构

4.1引言

4.2热压烧结SiCp/Cu复合材料的显微组织

4.2.1不同SiCp含量的SiCp/Cu复合材料的显微组织

4.2.2SiCp/Cu复合材料中增强相和基体的微观组织特征

4.3SiCp/Cu复合材料的密度与致密度

4.4SiCp/Cu复合材料的界面研究

4.5SiCp/Cu复合材料中Cu的氧化机制

4.6小结

参考文献

第5章SiCp/Cu复合材料的热物理性能

5.1引言

5.2SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能

5.2.1温度对复合材料热膨胀系数的影响

5.2.2颗粒尺寸对复合材料热膨胀系数的影响

5.2.3增强相体积分数对复合材料热膨胀系数的影响

5.2.4化学镀对复合材料热膨胀系数的影响

5.2.5退火处理对复合材料热膨胀系数的影响

5.2.6SiCp/Cu复合材料热膨胀系数模型预测

5.3SiCp/Cu复合材料的导热性能

5.3.1热导率的测试

5.3.2SiCp/Cu复合材料导热分析

5.3.3SiCp/Cu复合材料热传导理论计算基础

5.4SiCp/Cu复合材料的导电性能

5.4.1电导率的测试

5.4.2SiCp/Cu复合材料导电性分析

5.4.3SiCp/Cu复合材料电导率的理论计算

5.5小结

参考文献

第6章SiCp/Cu复合材料的力学性能

6.1引言

6.2SiCp/Cu复合材料的硬度

6.2.1增强相含量对复合材料硬度的影响

6.2.2增强相颗粒尺寸对复合材料硬度的影响

6.2.3SiC颗粒表面化学镀铜对复合材料硬度的影响

6.2.4退火处理对复合材料硬度的影响

6.3SiCp/Cu复合材料的弯曲强度

6.3.1增强相含量对复合材料弯曲强度的影响

6.3.2SiC颗粒表面化学镀铜对复合材料弯曲强度的影响

6.3.3退火处理对复合材料弯曲强度的影响

6.4SiCp/Cu复合材料断口的扫描电镜观察

6.5小结

参考文献