新型轻质低膨胀高导热电子封装材料的研究

摘要

对于航空航天飞行器领域使用的电子封装材料，在满足低膨胀、高热导等基本要求的同时，还要满足材料气密性与强度的要求，而且轻质是其首要问题。高硅铝合金作为轻质电子封装材料，不但可通过改变合金成分实现材料物理性能设计，而且兼有优异的综合性能。高硅铝合金材料的低膨胀主要通过提高合金中硅含量来实现，但随着硅含量增加，一是加工脆性增大，难以成材，二是热导性能随之降低，这是一对突出的矛盾，从而制约了其应用。本文研究的低密度、低膨胀、高热导高硅铝合金材料是航空航天电子封装材料重要的发展方向，其科学理论与制备技术研究具有重要的科学意义和应用价值。 论文结合军工项目(低密度低膨胀高热导高硅铝合金电子封装材料)的研究任务，针对高硅铝合金电子封装材料制备与应用中存在的问题，主要做了如下研究工作： 采用粉末冶金与真空包套热挤压相结合的方法制备了二元高硅铝合金材料，并系统研究了挤压温度、粉末粒度与Si含量对材料组织及性能的影响，结果表明，选择硅含量较低的合金，解决了加工成形及导热系数问题，但材料膨胀系数及抗拉强度不能满足电子封装材料使用要求。 为了提高合金材料强度，降低材料膨胀系数，通过对二元高硅铝合金基体添加低膨胀系数、低成本的SiC<,p>与SiO<,2>颗粒，制备了颗粒增强铝硅基复合材料，研究了热挤压与热压两种工艺所制备的SiC与SiO<,2>颗粒增强铝硅基复合材料微观组织及性能，引入Turner和Kerner模型及等效粒径EMA模型分别对材料热膨胀系数及导热系数进行了验证计算。二元高硅铝合金添加SiC与SiO<,2>颗粒后，材料热膨胀系数下降的同时，其导热系数也随之急剧下降，且其成形性较差，无法测定材料抗拉强度，所制备的两种颗粒增强铝硅基复合材料仍不能满足电子封装材料使用要求。为了达到低膨胀、高导热与高强度的理想匹配，首次应用高温空气氧化与高能球磨分别对Al-Si合金粉末进行预处理，以提高合金粉末氧含量，再结合包套挤压制备了Al<,2>O<,3>与SiO<,2>弥散强化的复合材料。探讨了Al-Si合金粉末氧化热力学与动力学条件，计算并绘制了合金氧化、择优氧化和无氧化热力学条件区位图，系统深入研究了氧化时间、球磨时间、球料比及硅含量对Al-Si合金粉末氧含量、材料组织及电子封装材料所要求性能的影响。 通过对高硅铝合金材料的系统研究，论文发现：对Al-Si合金粉末进行高能球磨预处理后所制备材料综合性能最好，所有性能均可满足电子封装材料使用要求，并优化出最佳球磨工艺参数。论文在研究了Al-Si合金粉末氧化热力学的基础上，建立了其氧化、择优氧化和无氧化热力学条件区位图。研制出一种新型的具有低密度、低膨胀、高导热性的电子封装材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1引言

1.2电子封装材料应用背景及国内外研究现状

1.2.1应用背景

1.2.2国内外研究现状

1.3高硅铝合金电子封装材料

1.3.1铸造高硅铝合金

1.3.2粉末冶金高硅铝合金

1.3.3喷射沉积高硅铝合金

1.4颗粒增强铝基复合电子封装材料

1.4.1颗粒增强铝基复合材料研究现状

1.4.2颗粒增强铝基复合材料的制备方法

1.5金属氧化的基本原理及氧化工艺的应用研究

1.5.1氧化热力学基本原理

1.5.2氧化动力学基本原理

1.5.3合金氧化特点

1.5.4合金内氧化原理及特点

1.5.5金属氧化工艺在材料制备中的应用

1.6研究高硅铝合金电子封装材料的目的和意义

1.7本论文研究目的及研究内容

第二章二元高硅铝合金材料研究

2.1引言

2.2实验

2.2.1粉末制备

2.2.2真空包套热挤压

2.2.3制样

2.3性能分析与组织观察方法

2.3.1粉末粒度及氧含量分析原理

2.3.2气密性分析

2.3.3密度分析

2.3.4热膨胀系数分析

2.3.5导热系数分析

2.3.6常温拉伸试验

2.3.7常温压缩试验

2.3.8光学显微组织观察

2.3.9扫描电镜显微分析及断口扫描

2.4粉末特性

2.4.1粉末粒度分布及氧含量

2.4.2粉末颗粒形貌

2.5挤压工艺研究

2.5.1粉末热挤压成形机理探讨

2.5.2粉末热挤压工艺参数确定

2.6材料组织与性能研究

2.6.1材料显微组织研究

2.6.2材料密度研究

2.6.3材料热膨胀系数研究

2.6.4材料导热性能研究

2.6.5材料力学性能研究

2.7本章小结

第三章SiCp颗粒增强铝硅基复合材料研究

3.1引言

3.2实验

3.2.1 工艺流程

3.2.2增强体选择原则及材料制备

3.2.3微观组织、界面观察及性能分析

3.3 SiCp颗粒增强铝基复合材料的微观组织

3.3.1 工艺对复合材料组织的影响

3.3.2基体对复合材料组织的影响

3.3.3增强体体积分数对复合材料组织的影响

3.4 SiCp颗粒增强铝硅基复合材料界面分析

3.5 SiCp颗粒增强铝硅基复合材料性能研究

3.5.1物理性能研究

3.5.2力学性能研究

3.6本章小结

第四章SiO2颗粒增强铝硅基复合材料研究

4.1引言

4.2实验

4.2.1 工艺流程

4.2.2材料制备

4.2.3显微组织、界面观察及性能分析

4.3 SiO2颗粒增强铝硅基复合材料显微组织研究

4.4 SiO2颗粒增强铝硅基复合材料界面研究

4.5 SiO2颗粒增强铝硅基复合材料性能研究

4.5.1物理性能研究

4.5.2力学性能研究

4.6本章小结

第五章Al-Si合金粉末氧化机制及材料性能研究

5.1引言

5.2氧化机制

5.2.1 Al-Si合金粉末氧化热力学

5.2.2 Al-Si合金粉末氧化动力学

5.3实验

5.3.1粉末氧化

5.3.2粉末成形

5.3.3氧化粉末特性分析及材料微观组织与性能研究

5.4氧化粉末特性

5.4.1粉末氧含量研究

5.4.2氧化粉末显微组织

5.5粉末氧化预处理对材料组织及性能的影响

5.5.1组织特征

5.5.2性能研究

5.6本章小结

第六章Al-Si合金粉末高能球磨氧化预处理研究

6.1 Al-Si合金粉末的机械球磨

6.2球磨氧化机制

6.3球磨时间研究

6.3.1球磨时间对粉末性能的影响

6.3.2球磨时间对材料组织与性能的影响

6.4球料比研究

6.4.1球料比对粉末性能的影响

6.4.2球料比对材料组织与性能的影响

6.5本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要研究成果