电子封装SiC/Al复合材料热导率研究

摘要

本文以电子封装为应用背景，分别采用无压渗透法制备了不同SiC 颗粒粒径（220μm 、90μm、63μm），不同SiC 颗粒形状（不规则形状、近球形），不同铝基体（含5％、9％、12％的合金元素Si，含3.5％、6.3％、10.2％的合金元素Mg），及其不同热处理状态（固溶时效、退火）的SiCp/Al 复合材料试样；用预制模渗透法制备不同体积分数(38.4％、48.93％、52％、62％)，不同气孔含量（3.7％、3.0％、2.4％、1.7％）的SiCp/Al 复合材料试样。利用OM、XRD、SEM 及TEM 对所制备的复合材料的组织、物相、微观形貌进行了观测分析；利用激光导热仪测定了SiCp/Al 复合材料的热导率。探讨了SiC 颗粒的大小、形状、体积分数，气孔含量，SiC 和A1 之间的界面性能与热导率的关系，并从界面面积、界面状态两个统一的角度分析了复合材料热导率的变化规律。在Maxwell 理论基础上，结合复合材料微观力学模型，初步建立了简单的适合SiCp/Al 复合材料的理论预测模型。 研究结果表明：（1）随着SiC颗粒粒径的增加，SiCp/Al复合材料的热导率增加； 近球形SiC颗粒与不规则形状SiC颗粒增强复合材料的热导率相比，有一定提高； 随着颗粒体积分数的增加, SiCp/Al复合材料的热导率呈降低趋势，且在体积分数小于50％时，下降较为明显；当复合材料有微量孔洞时，其导热性能下降，但下降幅度不大；这些热导率之间的差异主要是由SiC颗粒所提供的散射面积不同而引起。 （2）基体中加入适量的Si元素可明显抑制界面反应的进行，并且随着基体合金中Si含量的增加，SiCp/Al复合材料的热导率降低，但不是呈线性下降；基体中单纯加入Mg元素不能抑制界面反应的发生，有界面反应物A14C3生成，且界面反应程度随着Mg含量的增加而减少，但能改善Al/ SiC体系的润湿性，随着基体合金元素Mg含量的增加，复合材料的热导率呈上升趋势，当Mg含量超过6.3％时，其热导率增加的幅度减小；SiC颗粒表面进行氧化处理可以抑制有害界面反应的发生，也可改善润湿性，SiC在800℃×4h氧化时比在1100℃×4h更有利于提高复合材料的热导率；SiCp/Al复合材料在经过四种不同固溶时效处理后热导率比退火态的高，而且在四种固溶时效中，495℃固溶3h，200℃时效3h的热导率最高；（3）建立的理论预测模型，与实测值符合较好，模型不仅考虑了界面效应，在一定程度上也考虑了粒子的形状。