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多元复合碳化硼基金属陶瓷的制备及表征

翁哲  
【摘要】: 随着电子封装密度的持续提高,相应集成电路(IC)的功耗也越来越大,对电子封装材料的性能提出了更高的要求。高性能的电子封装材料应具有高的热导率、与硅芯片或陶瓷基板相匹配的热膨胀系数,低的密度以及低的介电常数等。 碳化硼(B4C)具有低密度、低热膨胀系数、高硬度以及高的化学惰性等其它材料无法比拟的优点,展现出了其作为封装材料的发展潜力。本文以B4C作为主要研究对象,用无压浸渗法制备了多元复合B4C基金属陶瓷材料,并对其作为电子封装材料进行了可行性研究。无压浸渗法是指在不借助任何外力作用下,熔融金属自发浸渗入经过预烧的具有一定强度的多孔陶瓷预制体中,实现近净成型的方法。由于陶瓷预制体具有三维连通的孔洞,金属完全渗入后能够形成一个陶瓷相和金属相互相穿插的网状结构,这种结构可以充分结合陶瓷相的低密度、低热膨胀系数与高硬度和金属相的高韧性与高导热性能的特点。 为了获得质量良好的碳化硼预制体,对碳化硼原料进行了除氧处理,并研究了碳化硼预制体的成型工艺。结果表明用酸洗和在无水乙醇中超声能有效去除B4C粉料中的B2O3,粘结剂的加入量、粉料的粒度配比、冷压的压力大小、保压时间和出模速度都对B4C预制体的质量和致密度有一定影响。 为了改善B4C预制体的渗Al行为,对B4C预制体进行了表面涂层处理和预烧处理。通过溶胶-凝胶(sol-gel)法在B4C预制体孔隙表面涂覆TiO2,在随后的热处理中转变为TiB2膜层。将B4C预制体分别在1900℃和2000℃下进行预烧处理1h。实验表明,TiB2膜层促进了B4C对Al的润湿,在较高的温度下进行预烧处理可以改变预制体的微观形貌,增大了孔径和减小了孔隙表面积,这些都有利于浸渗的进行和减少界面反应。 本文通过熔渗法原位合成了B4C/Al-AlN复合材料,并研究了其导热性能。结果表明材料的导热性能较纯B4C有所提高,且金属Al的含量、气孔的含量和AlN晶粒的大小对复合材料的导热性能有重要影响。


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