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电子封装复合材料制备工艺分析

 论文栏目:复合材料论文     更新时间:2018/1/10 10:58:08   

摘要:本文采用粉末冶金真空烧结法制取SiCp/Al复合材料,在自行设计的真空烧结炉中分别用固相烧结和液相烧结的方法在真空气氛下烧结出SiCp/Al复合材料。从其金相图像分析,SiC颗粒分布比较均匀,没有颗粒脱落现象。

关键词:SiCp/Al复合材料;粉末冶金;真空烧结

引言

本文对SiCp/A1复合材料的低成本制备工艺进行了一些试验探索,希望找出一种能够制备出高性能SiCp/A1电子封装材料的工艺方案,,包括粉末的预处理,预制件的制备和复合材料的烧结工艺,以达到最终推广于实际工业生产的目的。

1试验方法

根据试验原理和现有设备,拟定试验工艺流程如下:配料即按一定体积比将SiC粉末和Al粉换算成质量比,同时,为了便于压制坯体时提高粉料的压制性,改善压坯的密度均匀性和强度,加入硬脂酸锌作为润滑剂。若以ρ1代表SiC的密度,m1代表混合粉末中SiC的质量,v1代表SiC的体积百分含量;以ρ2代表Al的密度,m2代表混合粉末中Al的质量;m3代表润滑剂的质量;M代表要制备复合材料的质量;则SiC的体积百分含量转换为其质量百分含量的公式为:上式中:ρ1取值3.2g.㎝-3;ρ2取值2.7g.㎝-3;v1视制备材料配比不同依次取30%、50%。按制备复合材料的重量分别称取SiC、Al粉和硬脂酸锌,配在一起准备混合。本研究制备增强颗粒(SiC颗粒)体积百分含量分别为30%、50%、60%共三种复合材料样品。本试验过程由于每次混粉质量较少(10~20g),选取球混时间:1h。烘焙参数为:300℃×20min;370℃×20min;440℃×60min;前者是烘焙温度,后者是烘焙时间。在整个烧结阶段中,烧结温度、烧结时间、烧结氛围是关键的工序参数。本实验采用真空气氛烧结,极限真空10Pa。图2,图3和图4是烧结工序中所用设备的示意简图和SiCp/Al复合材料的成品试样照片。

2试验结果及分析

2.1光学显微组织分析

取烧结好的成品试样约1/4,用金相镶嵌机镶成圆柱形样品后在预磨机上进行磨制。抛光后的试样高级金相显微镜上进行金相组织观察并拍照。光学显微镜下的金相显微组织清晰显示了增强颗粒在基体中的弥散分布情况,并初步反映了增强颗粒与基体的界面结合情况。由图5出铝基体中弥散分布的部分粒子表面颜色较为暗淡,这与周围大部分粒子表面的耀眼光泽有些不同。原因可能是因为SiC原料本身不纯净造成的。原料SiC(a-SiC)中可能混有一些β相的SiC颗粒。也可能是SiC-Al界面间有其它物质生成,因为Al基体跟SiC增强颗粒的高温接触可能引发多种界面反应。多种研究表明,在SiCp/Al复合材料制备过程中,SiC-Al界面反应的产物主要是Al4C3和MgAl2O4。这些界面反应的存在会影响复合材料的微观结构,最终将对复合材料的宏观物理性能和力学性能产生重大影响。从组织形貌图还反映出了在复合材料中存在一些孔隙。这些孔隙可能是由于烧结过程中,烧结体发生收缩引起的。孔隙的存在,说明按此工艺烧结出来的复合材料,其致密度还存在一定缺陷,需要后续加工。除了烧结体收缩产生的孔隙外,复合材料中还出现了裂纹缺陷。

2.2液相烧结结果分析

对试样进行液相烧结时,当烧结温度为700℃时,试样中铝熔化渗出,导致烧结试样强度严重降低,而685℃烧结效果较好。如图6和图7所示:液相烧结能否顺利完成,一般取决于三个条件:(1)润湿性;(2)溶解度;(3)液相数量。对于SiCp/Al体系来说,SiC在Al中的溶解度很低。SiC颗粒跟Al之间的润湿性也很差,试验过程中Mg的加入可以改善两者之间的润湿性,其效果在685℃烧结的试样中有所体现。造成700℃烧结失败的原因可能在于:上图6所示试样中含Al量较多,体积分数达70%。一般液相烧结时,应以液相填满固相颗粒的间隙为限度。而图示试样中的Al过多,液相烧结时,当Al填满SiC颗粒的间隙后还有多余,SiC跟Al之间的润湿性虽有所改善,但还不足以“留住”多余的Al,造成Al的渗出。而填入间隙的Al液中与多余Al相连的部分在润湿性不是很好的情况下也很可能被其“带出”,最终造成Al的过多流失,影响烧结致密化,使烧结的试样强度降低。

3结论

本文在试验基础上,对粉末冶金真空烧结工艺进行了初步试验探索。针对粉末冶金真空烧结法制备SiCp/Al复合材料,分析了关键工序对复合材料制备质量及性能的影响,并利用光学显微镜对材料的组织形貌进行了分析,分析表明,粉末冶金真空烧结工艺方法制取的SiCp/Al复合材料,颗粒弥散分布均匀,界面结合良好。

参考文献

[1]郑小红,胡明,周国柱.新型电子封装材料的研究现状及展望[J].佳木斯大学学报,2005,23(3):460.

[2]顾晓峰.SiCp/Al复合材料的制备及器件的研制[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[3]赵宇,吴婉.SiC颗粒增强铝基复合材料的制备及组织分析[J].热加工工艺,2016(2):98-99.

作者:高加荣 单位:贵州黔桂天能焦化有限责任公司

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