AIN/AI新型电子封装材料的制备及其性能研究

摘要

电子封装材料主要应用于保护和支撑电子芯片,还可以将芯片产生的热量传导出去,延长芯片的使用寿命。随着电子器件功率的增大,半导体芯片发热量上升,导致传统电子封装材料难以满足需要。因此研究新型高性能电子封装材料已成为一个重要课题。
　　 AlN／Al复合材料具有优良的热学性能和力学性能,在电子封装材料领域有着广泛的应用前景。目前,探求高性能低成本AlN／Al复合材料的制备工艺是其研究的热点之一。与诸多制备工艺相比,熔渗法和粉末冶金法具有工艺简单、成本低等优点。因此,本硕士论文尝试通过熔渗法和粉末冶金法制备来制备AlN／Al复合材料,探索制备高性能低成本电子封装材料的新途径。
　　 本论文第三章采用熔渗法制备出AlN／Al复合材料,试验中首先通过压制烧结工艺制备了AlN预烧结坯,然后采用熔渗工艺将AlSi7Mg合金熔体渗入AlN预烧结坯中,获得AlN／Al复合材料。论文第四章采用粉末冶金法制备了AlN／Al复合材料,针对传统的压制烧结工艺难以获得高致密度的AlN／Al复合材料,采用高能球磨、复压复烧来提高AlN／Al复合材料的致密度和性能。实验中采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析了AlN／Al复合材料的相组成、显微组织,并对其力学性能和热学性能进行了测试和评价。全文的主要成果包括:
　　 (1)通过熔渗工艺制备出了相对密度超过98.5％的AlN／Al复合材料,且在整个制备过程中AlN坯体尺寸变化很小；所获得的AlN／Al复合材料显微组织均匀致密；实验表明AlN／Al复合材料的硬度和强度随AlN含量的增加而提高,导热系数和热膨胀系数则随AlN含量增加有所降低；AlN含量为38％和62％的AlN／Al复合材料的维氏硬度(Hv)分别为203和715、抗弯强度分别为388和492MPa、室温导热系数分别为120和73Wm-1K-1,室温至300℃的平均线膨胀系数分别为11.13×10-6和8.6×10-6K-1。实验结果还表明,AlN／Al复合材料的热膨胀系数与AlN含量的关系符合Kerner模型。
　　 (2)通过粉末冶金法结合高能球磨、复压复烧工艺制备出了相对密度超过96.5％的AlN／Al复合材料；经过高能球磨的AlN／Al混合粉末两相分布均匀,呈片状结构；AlN／Al复合材料的硬度和抗弯强度随着AlN含量的增加而提高,分别达到了250HV和270MPa以上；随着AlN／Al复合材料中的AlN含量从20wt％增加到40wt％,导热系数和热膨胀系数均分别从187Wm-1K和17.5×10-6下降到92Wm-1K-1和10.5×10-6 K-1,实验结果还表明,复压复烧之后的AlN／Al复合材料的热膨胀系数明显减小,预烧结体的热膨胀系数变化规律和混合物模型接近,复压复烧后的AlN／Al复合材料热膨胀系数变化规律也符合Kerner模型。

目录

文摘

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致谢

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表格清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电子封装材料简介

1.3 电子封装材料的分类及研究现状

1.3.1 陶瓷基片材料

1.3.2 塑料封装材料

1.3.3 金属封装材料

1.3.4 电子封装用金属基复合材料

1.4 AlN/Al电子封装材料

1.5 电子封装用AlN/Al复合材料的制备方法

1.5.1 喷射沉积法

1.5.2 原位反应法

1.5.3 挤压铸造法

1.5.4 熔渗法

1.5.5 粉末冶金法

1.6 本课题的选题依据、研究内容及意义

第二章 材料制备和性能测试方法

2.1 引言

2.2 熔渗法制备AlN/Al复合材料

2.2.1 实验原料

2.2.2 制备工艺

2.3 粉末冶金法制备AlN/Al复合材料

2.3.1 实验原料

2.3.2 制备工艺

2.4 实验主要仪器设备和测试原理

2.4.1 主要仪器和设备

2.4.2 材料的测试原理

第三章 熔渗法制备AlN/Al复合材料的研究

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.2.1 粉末性能表征

3.2.2 造孔剂的选择

3.2.3 造孔剂对AlN/Al复合材料密度的影响

3.2.4 AlN/Al复合材料的尺寸变化

3.2.5 AlN/Al复合材料的相组成

3.2.6 AlN/Al复合材料的微观结构

3.2.7 AlN/Al复合材料的EDS能谱分析

3.2.8 AlN/Al复合材料的力学性能

3.2.8 AlN/Al复合材料的导热系数

3.2.9 AlN/Al复合材料的热膨胀系数

3.3 本章小结

第四章 粉末冶金法制备AlN/Al复合材料的研究

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 粉末性能表征

4.2.2 AlN/Al复合粉末烧结体的密度

4.2.3 AlN/Al复合粉末的收缩率

4.2.4 复合粉末和烧结体的相组成

4.2.5 AlN/Al烧结体的微观组织

4.2.6 AlN/Al烧结体的力学性能

4.2.7 AlN/Al烧结体的导热系数

4.2.8 AlN/Al烧结体的热膨胀系数

4.2.9 AlN/Al烧结体的热膨胀系数和经典模型对比

4.3 本章总结

第五章 全文总结和工作展望

5.1 结论

5.2 后续工作与展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表情况