SiC/Cu基复合材料的制备及性能的研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yulaohuazi
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随着电子科技、集成电路技术的飞速发展,芯片系统集成度不断增加,电子器件的运行速度越来越快,导致芯片系统整体温度过高,这成为电子器件、集成电路中芯片系统的主要失效形式,传统铜材料高温性能已经无法满足实际电子封装的性能需求,因此开发出具有高导热、良好的导电性能、连接性能好和优越的力学性能的铜基复合材料成为亟需解决的问题。本文采用粉末冶金法制备Si C/Cu基复合材料,探究粉末冶金工艺对Si C/Cu基复合材料的微观组织、力学性能、热物理性能的影响,研究Si C颗粒对复合材料的增强机理。并在此基础上,研究Si C/Cu基复合材料之间的真空软钎焊工艺,对复合材料的接头和剪切断口的微观组织和成分进行了分析,研究Si C/Cu基复合材料的焊接性,为Si C/Cu基复合材料焊接研究提供一定实验参考,推动其在电子封装领域等领域的应用,具有显著的学术价值和工程意义。论文主要研究结果如下:随着烧结温度不断升高,复合材料的致密度和抗拉强度先增大后趋于相近,而硬度则是呈现先增大后减小的趋势;随着压制压力的增大,Si C/Cu基复合材料的致密度、硬度、抗拉强度均先增加后趋于相近,在压制压力为350 MPa时,复合材料的致密度高达98.4%,硬度高达193 HV,抗拉强度为182 MPa;随着保温时间的增加,复合材料的致密度不断增大后趋于相近,硬度与抗拉强度呈现先增大后减小的趋势,在烧结温度为710℃,压制压力为350 MPa,保温时间为30 min下,Si C/Cu基复合材料的综合性能达到最佳,其致密度为98.8%,硬度高达206 HV,抗拉强度为189 MPa。随着SiC含量的增加,铜基复合材料致密度、抗拉强度不断下降,而硬度则不断增大。当Si C体积分数为5 vol.%时复合材料的致密度为98.8%,硬度高达206HV,抗拉强度为189 MPa;当Si C体积分数为20 vol.%时,复合材料中出现孔洞和缝隙等缺陷,Si C颗粒团聚明显,此时复合材料的硬度最大为243 HV,致密度为90.1%,抗拉强度为134 MPa。增强相Si C颗粒与Cu之间结合状况良好,Si C颗粒均匀的分布在铜基体中,两者的结合界面平整干净,Cu相与Si C之间的界面晶格相互交错,未发生界面反应。随着SiC含量的不断增加,复合材料的线膨胀系数不断降低,平均线膨胀系数介于5.0×10-6/°C~15×10-6/°C之间;由于Si C-Cu界面结合之间的热膨胀失配Si C/Cu基复合材料的热导率随着Si C含量的不断增加而逐渐减小,在Si C含量为5 vol.%时,复合材料热导率高达362 W/m·℃,在Si C含量为20 vol.%时,复合材料的热导率为264 W/m·℃;在Si C体积分数为5 vol.%时,复合材料的电导率高达83.4 IACS%,而后Si C/Cu基复合材料的电导率随着增强体Si C含量的不断增加而减小,在Si C体积分数为20 vol.%时,复合材料的电导率为60.1 IACS%。添加Ag-Cu中间钎料对SiC/Cu基复合材料进行搭接焊接,并对焊接接头的微观组织、力学性能进行分析。研究结果表明:在相对较低的800℃温度下,焊接接头中的等温凝固不能顺利完成,焊缝中间有大量的固溶体影响焊接接头,随着温度的提高,中间钎料在毛细作用、浓度差的作用下由快速扩散到复合材料中,最终浓度差减小,等温凝固形成。原子扩散系数增大,扩散距离增大,焊缝组织均匀,强度提升;在焊缝处存在较复杂的冶金反应,主要存在的相为:Cu(s,s)、Ag(s,s)、CuxSiy等,相较于钎料与复合材料互熔为一体的Cu,中间均匀分布的CuxSiy有害相较少。过高的温度,中间化合物变多,阻碍钎料的扩散,扩散距离减小,焊接接头性能下降。
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