无压渗透法制备电子封装用SiC_p/Al复合材料工艺及性能研究

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随着现代封装技术的发展,传统的电子封装材料已无法满足电子封装越来越高的要求。SiC颗粒增强Al基复合材料因其高热导系数、低热膨胀系数、密度小等优点,受到了广泛关注,作为电子封装材料应用前景广阔。本文针对采用单尺寸SiC颗粒无法获得高体积分数SiC_p/Al复合材料的问题,以双颗粒配比的SiC为原料,采用压制成型-氧化烧结的方法制备SiC预制体,随后在氮气气氛中1050℃保温5h无压渗透铝合金,成功制备了高体积分数SiC_p/Al复合材料,并研究了颗粒配比对SiC_p/Al复合材料致密度、SiC体积分数、SiC-Al的界面形貌与成分以及复合材料的热学性能的影响。SiC在空气中烧结,可形成一定厚度的氧化层,SiO2不仅对SiC颗粒起到粘接的作用,而且可以促进预制体和Al合金液间的润湿。SiC预制体中颗粒分布均匀,其中孔隙分布也很均匀,大多在20μm以内。SiC体积分数随粗颗粒含量的增大,先增大后减小。采用双尺寸颗粒制备的预制体SiC体积分数可达到70.7%,大于单尺寸颗粒的体积分数。预制体烧结时,会产生尺寸变化,线膨胀为1.9%~3.0%,属净成形。针对SiC与Al之间的润湿性差,通过SiC表面氧化处理和采用合金成分为Al-7Mg-6.5Si的铝基体,Mg、Si两种元素改善润湿性,使Al液在毛细管力的作用下渗入预制体的孔隙中。通过能谱和XRD衍射分析,发现无压渗透过程中SiC-Al界面处会发生界面反应,促进铝合金液的渗透,同时生成MgO、MgAl2O4和Mg2Si等界面产物。由于预制体中闭孔的存在,无压渗透法制备SiC_p/Al复合材料所得的试样不能达到完全致密。SiC颗粒越小,预制体中细微孔隙越多,复合材料的致密度随之减小,且SiC体积分数越大越难浸渗。复合材料中有一定的孔洞类浸渗缺陷。这些孔洞有些分布在基体中,有些分布在SiC-Al界面上,分布在基体中的孔洞一般比较大,而界面上的则比较细小。对长期存放过程中发生“粉化”现象的试样进行XRD衍射分析,发现了界面有害相Al4C3,它与空气中的水蒸气发生反应,导致试样的粉化。可以通过降低渗透温度或减少渗透时间,或者在基体合金中增加Si的比例,来减少有害界面反应和生成物。SiC_p/Al复合材料的硬度随着SiC颗粒尺寸的减小和SiC体积分数的增大而增大,粗细颗粒比为2:1制备的复合材料硬度最大。所制备的不同配比的SiC_p/Al复合材料在50℃-200℃范围内,平均热膨胀系数最低可达6.98×10-6K-1,常温导热率最高为110.28W(m K)-1。热膨胀系数与导热率均能满足电子封装的要求。
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