多元复合碳化硼基金属陶瓷的制备及表征

论文摘要

随着电子封装密度的持续提高,相应集成电路（IC）的功耗也越来越大,对电子封装材料的性能提出了更高的要求。高性能的电子封装材料应具有高的热导率、与硅芯片或陶瓷基板相匹配的热膨胀系数,低的密度以及低的介电常数等。碳化硼（B4C）具有低密度、低热膨胀系数、高硬度以及高的化学惰性等其它材料无法比拟的优点,展现出了其作为封装材料的发展潜力。本文以B4C作为主要研究对象,用无压浸渗法制备了多元复合B4C基金属陶瓷材料,并对其作为电子封装材料进行了可行性研究。无压浸渗法是指在不借助任何外力作用下,熔融金属自发浸渗入经过预烧的具有一定强度的多孔陶瓷预制体中,实现近净成型的方法。由于陶瓷预制体具有三维连通的孔洞,金属完全渗入后能够形成一个陶瓷相和金属相互相穿插的网状结构,这种结构可以充分结合陶瓷相的低密度、低热膨胀系数与高硬度和金属相的高韧性与高导热性能的特点。为了获得质量良好的碳化硼预制体,对碳化硼原料进行了除氧处理,并研究了碳化硼预制体的成型工艺。结果表明用酸洗和在无水乙醇中超声能有效去除B4C粉料中的B2O3,粘结剂的加入量、粉料的粒度配比、冷压的压力大小、保压时间和出模速度都对B4C预制体的质量和致密度有一定影响。为了改善B4C预制体的渗Al行为,对B4C预制体进行了表面涂层处理和预烧处理。通过溶胶-凝胶（sol-gel）法在B4C预制体孔隙表面涂覆TiO2,在随后的热处理中转变为TiB2膜层。将B4C预制体分别在1900℃和2000℃下进行预烧处理1h。实验表明,TiB2膜层促进了B4C对Al的润湿,在较高的温度下进行预烧处理可以改变预制体的微观形貌,增大了孔径和减小了孔隙表面积,这些都有利于浸渗的进行和减少界面反应。本文通过熔渗法原位合成了B4C/Al-AlN复合材料,并研究了其导热性能。结果表明材料的导热性能较纯B4C有所提高,且金属Al的含量、气孔的含量和AlN晶粒的大小对复合材料的导热性能有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 电子封装
• 1.2.1 电子封装的定义
• 1.2.2 电子封装的结构层次
• 1.2.3 电子封装的发展趋势
• 1.3 电子封装材料
• 1.3.1 作为封装材料应具备的特性
• 1.3.2 电子封装材料
• 1.3.3 复合封装材料
• 1.4 碳化硼基复合材料的研究现状
• 1.5 碳化硼/金属复合材料的制备方法
• 1.5.1 搅拌熔铸法
• 1.5.2 粉末冶金法
• 1.5.3 熔体浸渗法（熔渗法或浸渗法）
• 2 研究内容及测试方法
• 2.1 研究内容
• 2.2 测试方法
• 2.2.1 致密度的测定
• 2.2.2 物相分析
• 2.2.3 显微形貌及元素组分分析
• 2.2.4 热导率测试
• 3 碳化硼除氧处理及预制体成型工艺研究
• 3.1 碳化硼原料的除氧处理
• 3.2 预制体的成型工艺研究
• 3.2.1 粘结剂的加入量
• 3.2.2 冷压成型的压力大小
• 3.2.3 冷压成型的保压时间
• 3.2.4 冷压成型的出模速度
• 3.2.5 粉料的粒度配比
• 3.3 本章小结
• 4C 预制体渗AL 行为的研究'>4 改善B₄C 预制体渗AL 行为的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案
• 4.3 主要实验设备
• 4.4 实验过程
• 4C 预制体的成型'>4.4.1 B₄C 预制体的成型
• 4C 预制体的预烧结'>4.4.2 B₄C 预制体的预烧结
• 4C 预制体的表面涂层处理'>4.4.3 B₄C 预制体的表面涂层处理
• 4.4.4 无压浸渗Al
• 4C 预制体预烧结温度的研究'>4.5 B₄C 预制体预烧结温度的研究
• 4.5.1 预烧结温度对预制体致密度的影响
• 4.5.2 预烧结温度对预制体渗Al 行为的影响
• 4C 预制体表面涂层处理的研究'>4.6 B₄C 预制体表面涂层处理的研究
• 4.6.1 1200℃热处理前后预制体的成分分析
• 4.6.2 经表面涂层处理后预制体的微观形貌
• 4.6.3 表面涂层处理对预制体渗Al 行为的影响
• 4C/AL 复合材料的成分及显微分析'>4.7 B₄C/AL 复合材料的成分及显微分析
• 4C/Al 复合材料的成分分析'>4.7.1 B₄C/Al 复合材料的成分分析
• 4C/Al 复合材料的显微分析'>4.7.2 B₄C/Al 复合材料的显微分析
• 4.8 本章小结
• 4C/AL-ALN 复合材料及其性能研究'>5 原位熔渗合成B₄C/AL-ALN 复合材料及其性能研究
• 5.1 实验设计
• 5.2 实验原料及配比计算
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 预制体的成型
• 5.3.2 预制体的预烧结
• 5.3.3 无压浸渗Al
• 5.4 反应生成BN 的研究
• 5.4.1 XRD 结果及讨论
• 5.4.2 SEM 结果及讨论
• 5.4.3 SiC 纤维生长机理讨论
• 4C/AL-ALN 的研究'>5.5 渗AL 原位合成B₄C/AL-ALN 的研究
• 5.5.1 XRD 结果及讨论
• 5.5.2 SEM 结果及讨论
• 5.6 复合材料热导率的测试及分析
• 5.6.1 热导率的测试与结果
• 5.6.2 复合材料导热性能分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录