sicpcu电子封装复合材料热物理性能研究

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1、，SiCP／Cu电子封装复合材料热物理性能研究武高辉，朱德智，陈国钦，张强(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要采用挤压铸造方法制备了体积分数为55％、不同颗粒粒径增强的电子封装用SiCP／Cu复合材料，并分析了颗粒尺寸和热处理状态对材料热物理性能影响的规律。显微组织观察表明：复合材料颗粒分布均匀，材料组织致密；复合材料的热膨胀系数随着SiC颗粒尺寸的减小而降低，这是因为大量的界面约束了基体和增强体的热膨胀行为；Kemer模型较好地描述了复合材料内部的热应力状况，其预测值和实测值接近；随着颗粒尺寸的减小，热导率也随之下降，这与增强体／基体界

2、面的界面热阻增加有关；退火处理可以减小降低复合材料的热膨胀系数，同时提高材料的热导率。关键词电子封装SiC，／Cu复合材料热膨胀性能导热性能0引言金属基复合材料以其优异的综合性能在航空、航天、先进武器、汽车等领域有广泛的应用，已成为国内外十分重视发展的先进复合材料u，2J。金属铜的导热性能比铝高，且热膨胀系数比铝更低，因此，SiC：r／Cu相对于当前研究较为广泛的电子封装用铝基复合材料更具有竞争优势。目前，常用电子封装用铜基复合材料主要有A120，／Cu，SiC／Cu，W／Cu，Mo／Cu等∞J。为了获得与半导体或陶瓷基片材料相匹配的热膨胀系数，要求复合材料必须

3、具备高体积分数的增强相。粉末冶金法H’51是制备高体积分数复合材料中使用最普遍的方法，但存在致密度低、杂质多、均匀性差等缺点，这对电子封装材料的热物理性能有着严重的影响。本文采用挤压铸造工艺制备了不同增强相颗粒尺寸的SiC，／Cu复合材料，并分析了颗粒尺寸和热处理状态对材料热物理陛能影响的规律。1材料制备与试验方法本文选用高导热的工业纯铜为基体、SiC为增强体颗粒，其体积分数为55％，颗粒粒径分别为10斗m、20I．tm、63斗m，采用挤压铸造技术制备SiC，／Cu复合材料MJ。铸态SiC，／Cu复合材料的光学显微组织采用OLYMPUSPMG3照相机观察。复合材

4、料的退火工艺为：700℃真空退火，保温1．5h，随炉冷却。复合材料的热膨胀系数采用DIIA02型热膨胀测试仪测定，试样尺寸66nlln×25ram，升温速率为5℃／min。复合材料的热导率采用TCT416型热导率测试仪测定，测试温度范围为20—60℃，试样尺寸为66mln×35mm(4-0．3mm)。2结果与讨论2．1微观组织观察从图1可以看出：SiC颗粒宏观上为尖角形的不规则形状，颗粒分布均匀，无颗粒团聚现象。从整体上看，复合材料的组织均匀、致密，而较高的致密度为复合材料的热导率、气密性和力学性能提供了基础保证。·648·(a)10pm(b)20txm(c)6

5、3pm图lSiCP／Cu复合材料的光学显微组织2．2热膨胀性能图2为3种不同颗粒尺寸的SiCp／Cu复合材料在20～1000C的平均线膨胀系数。从中可以看出，10p．m与20斗mSiCP／Cu复合材料的热膨胀系数较为接近，而与63灿mSiCP／Cu复合材料的热膨胀系数差别较大，且复合材料的热膨胀系数随着颗粒尺寸增加而增加。SiC，／Cu复合材料是由均匀、弥散分布的增强相SiC颗粒和基体连续相cu组成。当温度变化时，SiC颗粒和基体铜的热膨胀互相制约，最终导致复合材料中出现复杂的内应力，而内应力将抑制或促进材料的热膨胀。本文分别用混合定律(ROM)，Turner模

6、型和Kemer模型对55％SiCp／Cu复合材料的热膨胀系数进行理论预测，其结果如图2所示。(1)混合定律(ROM)p》b一×山卜U图255％SiC，／Cu的热膨胀系数预测值与实测值n。=Ot。‘圪+dP‘匕(2)Turner模型(3)Kemer模型a。gmk+o[pKpVp％21瓦弧了F●(1)(2)％=仅。一Orm--Otp)×丽笠+4(Gm3K)m++44(G≮=)一Vp丽4(3)式中a。，Ot。，a，为复合材料、基体及增强相的热膨胀系数；圪，K为基体和增强体的体积分数；玉，m，巧为基体和增强体的体积模量；G。为基体的剪切模量。从图2可以看出，Turner

7、模型预测值最低，ROM模型预测值大于实测值，只有Kemer模型与63panSiCr／Cu复合材料的热膨胀系数较为接近；由于Kemer模型较好地描述了复合材料内部实际的应力情况，其理论预测值与实际值最为接近。但是，以上模型在预测颗粒增强复合材料的热膨胀系数时，均未考虑增强体颗粒尺寸的影响，但实质上这种影响是很大的。因此，我们将根据各模型得到的计算值与试验值进行比较，分析不同模型适用的范围，为以后预测复合材料的热膨胀系数提供准确的依据。本文测试了10炉1SiC，／Cu复合材料退火处理后的平均线膨胀系数(20—200℃)，结果如图3所示。从图中可以看出，退火处理可以有

8、效降低SiC，／Cu复合