SiCp/Al复合材料的制备及其器件的研制

论文摘要

SiCp／Al复合材料由于具有较低的密度，高的热导率以及低的、可调的热膨胀系数成为电子封装材料研究的热点。目前制备SiCp／Al复合材料的方法主要有粉末冶金法和渗透法，但都存在缺点：粉末冶金方法中SiC含量存在一定局限，一般不超过55vol％，限制了材料热膨胀系数的降低；渗透法温度较高会发生界面反应，生成脆性相，对材料性能产生有害影响，残余气孔及粘结剂会影响材料导热性能。 鉴于上述SiCp／Al复合材料的制备方法都存在一定缺陷，本文采用放电等离子体烧结方法（SPS）烧结制备SiCp／Al复合材料。 首先，通过低体积分数SiCp／Al复合材料的制备，初步探讨了烧结过程中温度、压力及升温速率对材料制备的影响，证实了运用SPS技术制备复合材料的可行性。 其次，采用颗粒级配的方法，成功制备出SiC含量为65vol％、致密度为99％以上的SiCp／Al复合材料。对复合材料热性能测试发现SPS烧结制备的复合材料，热导率均在200w／m·K以上，与国外先进水平相当，完全满足电子封装材料要求，但材料热膨胀系数与其它制备方法的热膨胀系数有一定差距；同时发现SiC颗粒尺寸对材料热性能有较大影响，大尺寸SiC颗粒在降低材料热膨胀系数上所起作用优于小尺寸SiC颗粒，小尺寸颗粒在材料制备过程中主要起填充作用，以实现材料致密化，而材料热导率随大尺寸SiC含量增加而增大，但由于实验选取较大尺寸的SiC颗粒，也使材料强度受到一定影响。 再次，为了进一步降低材料热膨胀系数，我们引入Si改变基体合金，通过烧结工艺的调整，制备出不同Si含量的60vol％SiCp／A1-Si复合材料。对材料进行热性能分析，发现Si的加入较大程度地降低了材料热膨胀系数，在Si含量为10vol％时，热膨胀系数降低至7.8×10-6／℃，但热导率略有降低；对材料进行了断裂韧性测试，发现随Si含量增加，材料脆性增加。综合考虑材料热物理性能、力学性能和加工性能，我们认为对于60vol％SiC增强Al基复合材料，Si含量为5vol％左右时最合适。 另外，通过对烧结中间过程的分析，初步探讨了SPS烧结SiCp／Al复合材料的机理。从整个烧结过程来看，较大的压力使球形铝粉受到挤压，在焦耳热

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 电子封装及封装材料
• 1.2.1 电子封装的结构及功能
• 1.2.2 电子封装材料的性能
• 1.2.3 常用电子封装材料
• 1.2.3.1 陶瓷
• 1.2.3.2 金属
• 1.2.3.3 复合材料
• 1.3 电子封装用铝基复合材料的研究现状
• 1.3.1 基体材料
• 1.3.2 增强体
• p/Al复合材料材料的性能'>1.3.3 SiC_p/Al复合材料材料的性能
• 1.3.3.1 力学性能
• 1.3.3.2 物理性能
• p/Al复合材料的制备方法简述'>1.3.4 SiC_p/Al复合材料的制备方法简述
• p/Al电子封装复合材料的国内外研究现状'>1.3.5 SiC_p/Al电子封装复合材料的国内外研究现状
• p/Al电子封装复合材料的国外研究现状'>1.3.5.1 SiC_p/Al电子封装复合材料的国外研究现状
• p/Al电子封装复合材料的国内研究现状'>1.3.5.2 SiC_p/Al电子封装复合材料的国内研究现状
• 1.3.6 存在问题
• 1.4 本文研究的目的和主要内容
• p/Al复合材料的烧结致密化与机理研究'>第2章 SiC_p/Al复合材料的烧结致密化与机理研究
• p/Al复合材料的 SPS烧结'>2.1 低体积分数 SiC_p/Al复合材料的 SPS烧结
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 实验原料
• 2.1.2.1 SiC颗粒
• 2.1.2.2 Al粉
• 2.1.3 实验设计
• 2.1.4 测试方法
• 2.1.5 烧结工艺探索
• p/Al复合材料的SPS烧结'>2.2 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的SPS烧结
• 2.2.1 引言
• p/Al复合材料的烧结致密化'>2.2.2 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的烧结致密化
• 2.3 铝硅基复合材料的 SPS烧结
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 基体的选择
• 2.3.3 铝硅基复合材料制备
• p/Al复合材料机理'>2.4 SPS烧结 SiC_p/Al复合材料机理
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 放电等离子烧结技术简介
• p/Al复合材料的 SPS烧结机理研究'>2.4.3 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的 SPS烧结机理研究
• 2.4.3.1 SPS条件下石墨模具内空腔的电磁场分布模拟计算
• 2.4.3.2 实际样品烧结时局部区域的电场强化
• p/Al复合材料的SPS烧结机理探讨'>2.4.3.3 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的SPS烧结机理探讨
• 2.5 本章小结
• p/Al复合材料的组分、结构及对性能影响'>第3章 SiC_p/Al复合材料的组分、结构及对性能影响
• 3.1 复合材料热导率
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 铝基体复合材料的热导率
• 3.1.3 铝硅基体复合材料的热导率
• 3.2 复合材料热膨胀系数
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 SiC体积分数对复合材料热膨胀系数的影响
• 3.2.3 SiC颗粒尺寸对复合材料热膨胀系数的影响
• 3.2.4 Si含量对复合材料热膨胀系数的影响
• 3.3 复合材料力学性能
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 弯曲强度
• 3.3.3 弹性模量
• 3.3.4 断裂韧性
• 3.4 本章小结
• 第4章 梯度复合材料的制备
• 4.1 功能梯度材料简介
• 4.1.1 功能梯度材料的概念
• 4.1.2 功能梯度材料的设计
• 4.1.3 物性参数计算模型
• 4.1.3.1 混合律模型
• 4.1.3.2 修正模型
• 4.1.3.3 梯度材料分布模型
• 4.1.3.4 功能梯度材料的制备工艺
• p/Al梯度复合材料设计'>4.2 SiC_p/Al梯度复合材料设计
• 4.2.1 进行梯度材料设计的目的
• 4.2.2. 6063 铝合金化学成分的确定
• 4.2.3 梯度材料设计
• 4.3 各梯度层复合材料热物理性能、机械性能和电性能
• 4.3.1 各梯度层复合材料热膨胀系数
• 4.3.2 各梯度层复合材料热导率
• 4.3.3 各梯度层复合材料弹性模量、泊松比
• 4.3.4 各梯度层复合材料弯曲强度
• 4.3.5 各梯度层复合材料电阻率
• 4.4 梯度结构热应力模拟计算
• 4.4.1 残余应力计算理论
• 4.4.2 MSC.marc计算模型
• 4.4.3 MSC.marc计算结果与分析
• 4.5 梯度材料的SPS烧结
• 4.6 梯度材料显微结构
• 4.7 本章小结
• p/Al复合材料的焊接'>第5章 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的焊接
• 5.1 SiC颗粒增强铝基复合材料的焊接性分析
• p/Al复合材料的适应性'>5.2 连接工艺对 SiC_p/Al复合材料的适应性
• p/Al复合材料的传统连接技术'>5.2.1 SiC_p/Al复合材料的传统连接技术
• 5.2.1.1 熔化焊
• 5.2.1.2 钎焊
• 5.2.1.3 固态连接
• p/Al复合材料的新型连接技术'>5.2.2 SiC_p/Al复合材料的新型连接技术
• 5.2.2.1 瞬时液相连接
• 5.2.2.2 脉冲激光焊
• 5.2.2.3 搅拌磨擦焊
• 5.2.2.4 闪光对焊
• 5.2.2.5 等离子喷涂法
• p/Al复合材料焊接研究现状及存在的主要问题'>5.3 高体积分数 SiC_p/Al复合材料焊接研究现状及存在的主要问题
• 5.4 SPS真空扩散焊尝试
• p/Al复合材料的 SPS粉体焊接'>5.5 高体积分数 SiC_p/Al复合材料的 SPS粉体焊接
• 5.5.1 试样的准备
• 5.5.2 SPS焊接工艺与块体烧结工艺的不同点
• 5.5.3 连接层显微结构
• 5.5.4 连接层强度（剪切强度）
• p/Al复合材料的机理讨论'>5.5.5 SPS粉体焊接高体积分数 SiC_p/Al复合材料的机理讨论
• 5.6 本章小结
• p/Al复合材料电子封装盒器件的研制'>第6章 SiC_p/Al复合材料电子封装盒器件的研制
• 6.1 电子封装盒器件主要技术指标及特点
• 6.1.1 电子封装盒器件图纸及立体效果图
• 6.1.2 主要性能指标及主要技术指标
• 6.1.3 电子封装盒器件特点
• 6.2 材料设计与选择
• 6.3 制造方案
• 6.4 长方形块体 SPS烧结特点
• 6.5 框架与底板的连接
• 6.6 可加工性能与加工工艺
• p/Al复合材料的机械加工性能'>6.6.1 SiC_p/Al复合材料的机械加工性能
• 6.6.1.1 钻削加工
• 6.6.1.2 磨削加工
• p/Al复合材料的电加工性能'>6.6.2 SiC_p/Al复合材料的电加工性能
• 6.6.2.1 电火花线切割
• 6.6.2.2 电火花成型加工
• 6.6.3 电子封装盒器件的加工工艺
• 6.7 器件与柯伐合金进行激光焊封装性能评价
• 6.8 化学镀镍处理
• 6.9 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和待发表的学术论文目录
• 致谢