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电子封装用SiCp/Cu复合材料的微观组织与性能研究

王常春  
【摘要】: 随着信息化时代的迅速发展,传统的电子封装材料已经不能满足现代集成电路以及各类电器元件电子封装的发展要求。由于铜具有热膨胀系数比铝低、但热导率比铝高的特点,故选用铜代替铝制备电子封装用铜基复合材料无疑是极具竞争力的侯选材料之一。SiCp/Cu复合材料由于综合了铜和增强体的优良特性而具有较好的导热、导电性能和可调的热膨胀系数,因此具有非常广阔的应用前景。但目前有关该体系的理论研究与应用研究尚不成熟,迫切需要进行更多的探索和研究。 本文选用工业化的SiC微米粉体材料,采用化学镀铜工艺制备了Cu包覆SiCp复合粉体,并对复合粉体的组成和形貌进行了分析;以该复合粉体为原材料,利用真空热压烧结和非真空热压烧结两种工艺制备了SiCp体积分数分别为30vol.%、40vol.%和50vol.%的SiCp/Cu复合材料,并对复合材料的微观组织和界面微观结构进行了观察和分析;测试了不同工艺、不同成分下SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能、导热性能和导电性能等热物理性能,并分析了增强相含量、颗粒大小和热处理状态等因素对复合材料热物理性能的影响;测试了SiCp/Cu复合材料的硬度和三点弯曲强度,并对复合材料的断口进行了观察和分析,最后分析了复合材料的断裂机制。 研究结果表明,通过适当的化学镀铜工艺,可以获得Cu包覆SiCp复合粉体,而且Cu包覆层比较均匀地分布在SiC颗粒表面,Cu包覆层的厚度约为1μm。DSC分析结果表明,SiC颗粒表面的Cu包覆层在990℃时开始熔化。SiC颗粒在铜基体中分布比较均匀,没有明显的偏聚现象;无论是利用Cu包覆SiCp复合粉体,还是利用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料,随着SiCp增强相含量的增加,材料的致密度均呈下降趋势;在SiCp增强相含量相同的情况下,利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料的致密度要略高于由未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;SiC增强相颗粒与铜基体之间的界面干净,机械结合良好;在界面处,Cu元素与Si元素有少量的相互扩散,而且还可以观察到少量的Cu_3Si相的形成。 本研究制备的SiCp/Cu复合材料具有优异的热物理性能。随着增强相SiCp体积分数的增加,SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数、热导率和电导率均呈明显的下降趋势;而在增强相含量一定的情况下,SiC颗粒尺寸越大,SiCp/Cu复合材料的平均线膨胀系数、热导率和电导率越高。化学镀铜工艺可以明显改善增强相粒子与基体铜之间的界面结合,提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率,同时降低其热膨胀系数,可以实现热/电导率和热膨胀系数的良好结合。适当的退火处理工艺可以明显提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率,消除复合材料制备过程中产生的残余应力,同时使得热膨胀系数有所降低。 对SiCp/Cu复合材料力学性能的研究结果表明,随着增强相SiCp体积分数的增加,复合材料的布氏硬度先是逐渐升高而后逐渐下降,但是弯曲强度呈连续下降趋势;在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下,利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料,其硬度值和弯曲强度均略高于采用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下,退火处理后的SiCp/Cu复合材料,其硬度值和弯曲强度明显低于退火处理前的SiCp/Cu复合材料。当增强相体积分数为30vol.%时,复合材料断口兼有韧窝断裂和准解理断裂的特征;但当增强相体积分数为50vol.%时,复合材料断口中仅存在少量的撕裂棱和韧窝形貌,复合材料的断裂方式主要以准解理断裂为主。


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