喷射成形Si-Al电子封装材料的制备及组织性能研究

摘要

电子及封装技术的发展对电子封装材料的性能提出更高的要求。喷射成形Si-Al合金具有与芯片(硅和砷化镓)相匹配的热膨胀系数、高热传导率和低密度，是一种有良好应用前景的电子封装材料。 本文研究了喷射成形Si-Al合金在其它工艺参数确定的前提下雾化气体压力与金属熔体质量流率的比值对沉积坯件致密度、收得率及显微组织的影响规律，结果表明合适的雾化气体压力与金属熔体质量流率的比值(P/M)应在0.209～0.231MPa/(kg/min)之间选择。 对喷射成形Si-Al合金显微组织进行了系统的研究，结果表明沉积坯件显微组织细小弥散，初生硅相为不规则形状，均匀弥散地分布在铝基体中。通过对初生相形成过程分析可知初生硅相的晶体生长过程为小晶面长大方式。通过对喷射成形Si-Al合金的SEM照片、TEM照片分析，可把铝基体分为硅含量较低的a-Al相和过饱和a-Al相及硅含量较高的铝硅共晶相和铝硅伪共晶相。 研究了喷射成形Si-Al合金在加热保温过程中的组织演变规律，结果表明在590℃以下保温90min初生硅相没有显著的长大现象，但其边界变得圆滑，有球化现象，材料在590C以上保温90min初生硅相长大现象明显。通过DSC分析可知，由于铝硅伪共晶相具有较高的畸变能，喷射成形Si-Al合金大约在566℃时开始有熔化相，随着温度的升高，熔化相增多，而且熔化相之间互相连接，在较高的温度下凝聚成团块状。 研究并确定了优化的热压致密化工艺：合适的热压温度为566℃～573℃，合适的压强为220MPa～300MPa，热压时间为4h。在热压致密化过程中，初生硅相和铝基体相重新排列，初生硅相在压力作用下断裂并随着压力增大在小区域内聚集在一起，铝基体相在压力下塑性流动并互相连接在一起，铝硅伪共晶相内硅原子扩散出来，转变成为铝硅共晶相，过饱和a-Al相内通过硅原子脱溶转变为a-Al相。采用热等静压技术对喷射成形Si-Al合金进行致密化研究，结果表明材料内没有大尺寸的孔洞，初生硅相仍然弥散分布，铝基体的塑性变形程度较大，在局部区域内存在明显的贯通现象。 采用热模拟实验对喷射成形Si-Al合金在固液两相区的热加工进行了探索性研究，结果表明喷射成形Si-30％Al合金是脆性材料，对应变速率敏感，应变速率决定了材料的变形方式和变形过程。在热压缩变形过程中初生硅相断裂，由于压力差的存在造成液相由中心部位向边缘部位流动，形成了“固液分离”现象。对喷射成形Si-Al合金在固液两相区进行热变形致密化，可以得到一定致密程度的材料，但致密化效果不理想。 系统研究了热压致密化后Si-Al合金的物理性能、机械性能及电镀与焊接性能，结果表明该材料(Si-30％Al～Si-40％Al合金)热膨胀系数(6.9×10-6～8.7×10-6/K)与芯片匹配、导热率高(118～127K/(W/m·K))、密度小(2.421×103～2.465×103kg/m3)、抗弯强度(三点弯曲)高(180～220MPa)、硬度高(布氏硬度为162～261)、热稳定性能好，容易电镀与钎焊，具有良好的封装工艺性能和加工成形性能，满足微电子行业及航空航天领域对封装材料的需求。

目录

文摘

英文文摘

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引言

1绪论

2实验

3喷射成形Si-Al合金制备工艺参数优化及沉积坯件显微组织的研究

4喷射成形Si-Al合金显微组织在加热保温过程中演变规律的研究

5喷射成形Si-Al合金致密化工艺的研究

6喷射成形Si-Al合金在固液两相区热加工的探索性研究

7喷射成形Si-Al合金性能的研究

结论

参考文献

在学研究成果

致谢