粉末冶金法制备新型Si-Al电子封装材料的研究

摘要

本文率先探索了采用粉末冶金液相烧结方法制备低膨胀,低密度,高导热的Si-A1电子封装的具体途径.主要以Si50wt﹪-Al体系作为研究对象.着重讨论了具体工艺路线(压制压力、烧结温度、烧结时间、冷却速度、热处理以及Si相含量)对材料成形性和性能(密度、热导率、热膨胀系数)的影响.同时通过金相、X-射线、差热分析及扫描电镜对体系的润湿性、界面反应和不同处理状态下材料内部结构进行分析.得出的主要结论如下:1.采用粉末冶金液相烧结方法完全可以制备出具有优良的综合性能的Si50wt﹪-Al电子封装材料.其热导率达到131 W/m·K;热膨胀系数达到9.41-10.44×10<'-6>/K;密度达到2.48g/cm<'3>.2.增加压制压力对于提高粉末压坯和烧结体密度以及产品性能都是有利的.但过大的压力会使Si颗粒内部产生大量的微裂纹和缺陷,导致材料热导率下降.3.适当的提高烧结温度和延长烧结时间可以改善体系的润湿性能,减少材料内部的界面总数以及保证Al基体连通网络结构的形成,进而使热导性能上升.虽然同时带来材料热膨胀系数的升高,但总体来说,烧结温度和时间对热膨胀性能的影响不大,材料的热膨胀系数主要取决于Si相相对含量.4.慢速冷却会导致材料内部出现过多的共晶物和粗大长条状Si颗粒,对性能造成非常不利的影响.热处理有利于消除快速冷却过程中基体中保留的大量晶格畸变和残余应力,材料的热导性能和热膨胀性能都得到改善.5.Si-Al复合材料高温烧结的主要致密化机制为液相流动-颗粒重排机制和溶解-沉淀机制.由于Al粉表面的氧化铝薄膜在高温液相烧结过程中发生破裂,导致体系存在一个非润湿向润湿的转变温度(950℃附近).在此温度上进行烧结,体系润湿性得到明显的改善.新鲜的Al液与Si颗粒表面的氧化层发生界面反应,反应程度随烧结温度的提高和烧结时间的延长而加深.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1电子封装材料的发展概况

1.2硅铝电子封装材料的发展概况

1.3金属基复合材料的制备方法

1.3.1主要的液态法工艺

1.3.2主要的固态法工艺

1.4陶瓷-金属复合材料的热性能物理基础

1.4.1陶瓷-金属复合材料的热导性能

1.4.2陶瓷-金属复合材料的热膨胀系数

1.5陶瓷-金属复合材料的界面问题

1.5.1理论分析

1.5.2改善浸润性的可能性

1.5.3陶瓷-金属润湿过程的分类及特征

1.6本研究论文的目的

第二章 实验设计及方案

2.1加工方法设计

2.2实验参数设计

2.2.1 Si-A1复合材料成分的设计

2.2.2 Si-Al复合材料粒度配比的设计

2.3实验工艺流程

2.4性能检测

第三章压制压力对硅铝电子封装材料性能的影响

3.1压制压力对压坯及烧结体密度的影响

3.1.1压制压力对压批密度的影响

3.1.2压制压力对烧结体密度的影响

3.2压制压力对材料性能的影响

3.3本章小结

第四章烧结工艺对硅铝电子封装材料性能的影响

4.1烧结工艺对Si-A1复合材料热导性能的影响

4.1.1烧结温度和时间对Si-A1复合材料热导性能的影响

4.1.2冷却速度对材料热导性能的影响

4.2烧结工艺对Si-Al复合材料热膨胀性能的影响

4.3本章小结

第五章热处理及硅相含量对硅铝电子封装材料性能的影响

5.1后续热处理工艺对材料性能的影响

5.2 Si含量对材料性能的影响及与理论模型的比较

5.2.1 Si含量对材料热导性能的影响

5.2.2 Si含量对材料热膨胀性能的影响

5.2.3不同SI含量下的金相组织

5.2.4讨论

5.3本章小结

第六章Si-Al体系润湿性及界面反应的探讨

6.1复合材料的成形机理

6.1.1液相烧结理论

6.1.2复合材料的致密化机理

6.2 Si-Al体系的润湿性能及界面反应

6.3本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

附录