BC陶瓷复合材料及其精细加工研究

摘要

半导体集成电路IC技术正日新月异地向前发展。芯片集成度的增加及封装密度的增大都对电子封装材料的性能提出了更高的要求。电子封装材料应具有高的热导率、与半导体材料相匹配的线膨胀系数以及低的密度，某些情况下还要求其具有较低的介电常数与介电损耗。 碳化硼陶瓷具有高熔点、高硬度、低密度以及良好的中子吸收能力等优异的性能，且被认为是最具潜力的高温热电材料之一。本文以碳化硼陶瓷作为主要对象，对将其作为电子封装基片材料进行了可行性研究。 本文用有机泡沫浸渍工艺制备出B4C网眼多孔陶瓷。结果表明：选用蒸馏水为溶剂，硅溶胶为粘结剂，钙基膨润土以及羧甲基纤维素钠CMC为流变剂，微量无水乙醇为消泡剂，可以制备出具有较好流变特性的陶瓷浆料，将其均匀涂覆在聚氨酯有机泡沫载体上，经干燥、烧结等工艺所得的B4C网眼多孔陶瓷骨架烧结体呈三维连通网状结构，具有较大的孔径和较高的通孔率，可以作为制备金属基复合材料的预制体。 本文将B4C与AlN作为原料，选用Y2O3和CaF2作为烧结添加剂，在一定成型与烧结工艺下制备出B4C-AlN复合陶瓷材料。结果表明：在0~10wt?的范围内，复合陶瓷的线收缩率随AlN含量的增加而增大；在10wt％~50wt％的范围内，随着AlN含量的增加，复合陶瓷试样的硬度下降；B4C-50AlN复合陶瓷的热导率在室温至350℃范围内，随温度的升高而降低，热导率的最大值为27 W/(m?K)，热导率偏低的主要原因在于复合陶瓷烧结体在结构上未能达到致密；B4C-20AlN复合陶瓷烧结体晶粒形状较规则，晶界干净；对B4C-10AlN陶瓷的XRD分析结果表明，试样中除含有主相B4C、AlN及添加剂CaF2外，还含有Ca3Al2O6、Ca11N8等相。 本文以B4C-AlN复合陶瓷作为基体，采用一定工艺将Al熔渗入陶瓷基体中，制得B4C-AlN/Al陶瓷金属复合材料。结果表明，B4C-AlN/Al复合材料的组织分布比较均匀；陶瓷相与金属相在整体上结合紧密。复合材料中除含有主相B4C、AlN及熔渗相Al外，还形成了Al3BC、YAlO3、B2YC2相。 陶瓷用于电子封装基片材料，有赖于对其微细加工性能进行改善。本文对B4C及Al2O3陶瓷的激光表面修饰特性进行了初步研究。结果表明，提高输出功率在一定程度上可能会提高激光的加工能力，但同时也会导致加工质量的下降；在功率一定的条件下，增大离焦量将会影响到激光的加工效果。当输出电流小于100A时，材料表面的激光划线宽度最细；输出电流在100A~250A范围内，材料表面线宽随电流增大的变化并不明显。自行加工的试样表面在微观上已形成了明显的激光加工区；陶瓷材料表面线宽的加工精度可控制在微米级；划线深度及加工区的侧面形状均可通过改变工艺参数来进行调整。