无压浸渗法制备β-SiC/Al电子封装材料及其性能研究

论文摘要

SiCp/Al复合材料具有高导热、低膨胀、高模量、低密度等优异的综合性能，在电子封装领域具有广阔的应用前景。目前广泛采用的SiCp/Al复合材料的制备方法为工艺复杂、设备昂贵的压力浸渗。由于无压浸渗技术具有工艺简单，成本低廉等优点，本文采用无压浸渗法在空气环境下，制备出了β-SiCp/Al复合材料，并对复合材料的微观组织和元素分布进行了观察和分析；讨论了润湿性原理和无压浸渗方法的机理；研究了Mg、Si元素对无压浸渗过程的影响；测试了不同工艺下β-SiCp/Al复合材料的热导率、热膨胀系数等热物理性能；并研究了SiC颗粒体积含量，粒径大小对复合材料热物理性能的影响。研究表明，无压浸渗法制备β-SiCp/Al复合材料的关键在于β-SiCp/Al界面润湿的转变，碳化硅的氧化处理对β-SiCp/Al界面的润湿性转变起着重要的作用；在铝合金基体中添加适量的Mg，会在界面处与SiO2参与反应生成MgAl2O4，界面反应改善了β-SiCp/Al界面的润湿性，促进了无压自发浸渗。基体合金中Si的存在，抑制了界面有害相Al4C3的生成。所制备的复合材料组织中，SiC分布均匀，组织致密。浸渗温度的提高，有利于浸渗速度的增加，但浸渗后期速率逐渐降低。制备出的复合材料颗粒体积分数为5570%，复合材料的热导率介于140170W·m-1·K-1之间，热膨胀系数在6.69.7×10-6K-1之间。随着SiC体积分数的增加，复合材料的相对密度略有下降，复合材料的热导率和热膨胀系数都呈下降趋势，当SiC体积分数增加为65%左右时，热导率下降逐渐趋于平缓；当SiC体积分数增加为68%时，热膨胀系数显著减小。在体积分数一定的情况下，随着SiC颗粒粒径的增加，复合材料中界面减小，β-SiCp/Al复合材料的热导率增加，同时热膨胀系数也增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 电子封装材料
• 1.2.1 传统的电子封装材料
• p/Al 电子封装材料'>1.2.2 SiC_p/Al 电子封装材料
• p/Al 电子封装材料的制备'>1.3 SiC_p/Al 电子封装材料的制备
• 1.3.1 粉末冶金法
• 1.3.2 机械合金化法
• 1.3.3 压力浸渗法
• 1.3.4 喷射沉积法
• 1.3.5 无压浸渗法
• p/Al 电子封装材料的国内外研究及应用现状'>1.4 SiC_p/Al 电子封装材料的国内外研究及应用现状
• 1.5 无压浸渗法制备复合材料的特点
• 1.6 无压浸渗法制备复合材料的现状
• 1.6.1 浸渗气氛控制
• 1.6.2 基体合金化
• 1.6.3 添加助渗剂
• 1.6.4 增强体表面涂层改性
• 1.6.5 超声波辅助浸渗技术
• 1.7 目前存在的主要问题
• 1.8 研究意义及内容
• 1.8.1 研究意义
• 1.8.2 研究内容
• 2 试验内容及研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料的选择
• 2.2.1 增强体SiC 的选择
• 2.2.2 基体铝合金的选择
• 2.3 制备工艺设计
• 2.4 复合材料的制备
• 2.4.1 混料
• 2.4.2 预制体成型
• 2.4.3 预制体脱脂
• 2.4.4 预制体焙烧
• 2.4.5 无压浸渗
• 2.5 复合材料性能测试
• 2.5.1 微观组织观察
• 2.5.2 密度测试
• 2.5.3 物相分析
• 2.5.4 热导率的测试
• 2.5.5 热膨胀系数测定
• 3 复合材料的制备及工艺探索
• 3.1 引言
• 3.2 无压浸渗机理探讨
• 3.2.1 润湿性原理与自发浸渗
• 3.2.2 浸渗过程的静力学
• 3.2.3 浸渗过程的动力学
• 3.2.4 液体在毛细管中的自发浸渗
• 3.3 SiC 颗粒氧化处理及特点
• 3.4 浸渗过程的分析
• 3.4.1 孕育期
• 3.5 温度对浸渗速度的影响
• 3.6 镁元素对浸渗过程的影响
• 3.7 硅元素对浸渗过程的影响
• 3.8 本章小结
• 4 复合材料的组织结构
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料表观形貌
• 4.3 复合材料的显微组织
• 4.3.1 复合材料的金相组织
• 4.3.2 SEM 分析
• 4.4 复合材料的密度
• 4.5 浸渗缺陷的分析
• 4.6 本章小结
• 5 复合材料的热物理性能
• 5.1 引言
• 5.2 复合材料的热导性能
• 5.2.1 复合材料热导率的理论模型
• 5.2.2 SiC 体积含量对复合材料的热导率的影响
• 5.2.3 SiC 粒径对复合材料的热导率的影响
• 5.2.4 气孔率对复合材料热导率的影响
• 5.3 复合材料的热膨胀性能
• 5.3.1 材料的热膨胀
• 5.3.2 复合材料的热膨胀系数
• 5.3.3 温度对复合材料热膨胀系数的影响
• 5.3.4 SiC 体积含量对复合材料热膨胀性能的影响
• 5.3.5 SiC 颗粒尺寸对复合材料热膨胀系能的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录