Sip／A1功能梯度材料的粉末冶金热压工艺制备及性能研究.pdf

第 2 4 卷第 1期 2 0 1 4年 2月 粉 末 冶 金 工 业 P OW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo1 ． 24 No． 1 F e b ．2 0 1 4 S i p ／ A1 功能梯度材料的粉末冶金热压工艺 制备及性能研究 童国庆 ， 杨伟锋 ， 申文浩 ， 仲洪海， 蒋阳 合肥工业大学材料科学 与工程 学院 ， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 针对 高硅铝合金 电子封装材料难加 工、 封焊 问题 ， 提 出制备功能梯度材料。本文采 用 粉 末 冶金 热 压法 制备 出 S i p ／ A1 功 能梯 度 材 料 F GM 。相 比其 他 工 艺 ， 热 压 法 制备 的功 能梯 度材料具有体积分数可调控 4 0 ～6 5 S i p ／ M ， 压制 时间短 ， 压力小等特 点。热压法制备 S i p ／ A1 功能梯 度材 料 ， 通过 热等 静压 HI P 处理后 ， 得 到 的材 料 密度 约 为 2 ． 4 ～2 ． 5 g ／ c m。 ， 增 强体颗 粒 细 小， 各层含 量 分布 均 匀 ， 热膨 胀 系数 和 热 导 率分 别 l 1 ． 7 1 0 ／ K， 1 2 1 W m K ， 抗 弯强度 为 2 2 8 MP a ， 各 层硬 度分 别 为 1 3 2 HB、 1 5 1 HB和 1 7 0 HB。 关 键词 S i p ／ A1 ； 粉 末 冶金 ； 功 能梯 度材 料 ； 热压 ； 热膨 胀 系数 中图分 类 号 TF 1 2 4 ． 3 7 文献 标识 码 A 文章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 4 0 1 0 0 3 9 0 5 P RE P AR ATI O N AND C HAR AC TE RI Z AT I ON O F S i p ／ A1 F UNC TI ONAL L Y GRADED M ATERI ALS BY POW DER M ETALLURGY H OT PRESS TONG g u o - q i n g，YANG we i - f e n g ，S HE N w e n 。 h a o，Z HONG h o n g - h a i ，J I ANG y a n g S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，He f e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，He f e i 2 3 0 0 0 9-Ch i n a Ab s t r a c t I n g e n e r a l ，t h e hi g h s i l i c o n a l umi nu m a l l o y e l e c t r o ni c p a c ka g i ng m a t e r i a l s a r e d i f f i c ul t t o m a c hi ne a nd s e a l ，S O f un c t i on a l l y gr a d e d m a t e r i a l s we r e pr o po s e d t o p r e pa r e ． I n t hi s p a p e r ，h i g h q u a l i t y S i p ／ A1 f u n c t i o n a l l y g r a d e d ma t e r i a l s we r e p r e p a r e d b y p o wd e r me t a l l u r g Y h o t p r e s s i n g ．Co mp a r e d wi t h t h e o t h e r p r o c e s s e s ，t h e S i p ／ A1 f u n c t i o n a l l y g r a d e d ma t e r i a l s r e a l i z e d b y ho t pr e s s i n g c h a r a c t e r i z e d b y c o mpo ne nt c o nt r o l l i ng，s h or t pr e s s i ng t i m e a nd l o w p r e s s u r e ．Af t e r h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g HI P ， t h e d e n s i t y o f t h e S i p ／ A1 f u n c t i o n a l l y g r a d e d ma t e r i a l s wa s 2 ． 4 ～2 ． 5 g ／ c m。wi t h f i n e S i p a r t i c l e s i z e a n d u n i f o r m l a y e r c o n t e n t ．Th e e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t 0 4 0 0 Cwa s 1 1 ． 71 0 ／ K，t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y wa s 1 2 1 W m K a nd t he be nd i n g s t r e ng t h wa s 2 2 8 M Pa ．Th e ha r d ne s s of t he l a y e r s we r e 1 3 2 HB、 1 51 H B a nd 1 7 0 HB，r e s pe c t i ve l y ． K e y w o r d s S i p ／ A1 ； p o wd e r me t a l l u r g y ； f u n c t i o n a l l y g r a d e d ma t e r i a l s ； h o t p r e s s i n g ； t h e r ma l e x pa ns i on c o e f f i c i e nt 近 些年 来 ， 随着航 天航 空 的发 展 ， 对 航天 材料 提 出了新 的要求。其设计不仅要满足低膨胀、 高热导、 易加工 ， 同时还要求材料具有足够的气密性 、 高强度 以及低密度 。传统的封装材料 ， 如 Ko v a r 、 I n v a r 、 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 3 0 基金项 目 国家 自然科学基金 NF S C， No ． 6 1 0 7 6 0 4 0 ； 高等学校博士学科点专项科研基金 No ． 2 0 1 2 0 1 1 1 1 1 0 0 6 作者简介 童 国庆 1 9 8 8 一 ， 男 汉 ， 安徽合肥人 ， 硕士 ， 主要从事新型电子封装材料研 究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 粉末冶金工业 第 2 4卷 C u ／ W、 C u ／ Mo等都因其密度大 ， 导热性较差已经不 能适应新的要求 。高硅铝合金具有密度低 、 导热性 能好 、 热膨胀系数低 、 强度和刚度高， 且具有很好 的 可 镀性 可 以和 Ni 、 C u等 电镀 ， 材 料 易 获 得 、 与 环 境友好 、 无毒性易于循环处理等优点 ， 得到国内外研 究 人 员 的广 泛 关注 l 2 。 常见的 S i p ／ A1 电子封装材料主要偏重其热力 学性 能 ， 而忽 略 后 续 加 工 和 封 焊 问题 ] 。电 子 元 件 对气密性要求很高， 封装盒体和盖板要求严密， 以防 止水蒸气 、 空气以及其他腐蚀性气体进入 ， 从而损坏 电子元件 。电子封装材料 中硅含量过 高[ w s i 5 0 ] ， 其热膨胀系数较低 C T E9 9 ． 9 平 均 粒度 为 1 0 ff m] 。首先 如表 1 所 示 ， 铝 硅 粉 按 照体 积 比计算 称重 ， 在 混料 机 中均匀 混合 8 h ； 然 后按 照表 1设计 ， 4 0 S i p ／ A1 、 5 0 S i p ／ A1 厚 度均 为 1 mm， 6 5 S i p ／ A1 厚 度 2 ～3 mm， 依次 铺层 ， 装 入模具 中。放人 自制 热压 烧 结炉 ， 在 Ar气 氛 中 加 热 至 4 6 0 ℃ ， 加 压 5 0 ～ 1 2 0 MP a ， 保 温保 压 0 ． 5 h ， 继续 升 温至 8 0 0 ℃ 保 温 1 ～ 2 h ； 最后 随炉 冷却 到室 温。热等 静压 为 5 4 0 ℃ ， 1 0 0 MP a下保温保压 2 h 。 表 1 铝硅原料成分设计 体 积分数 元素 Si Al 铝 硅合 金 材 料 组 织 观 察 在 DMM一 3 3 0显 微 镜 ， F E I S i r i o n 2 0 0 1 0 k V 场 发 射 扫 描 电子 显微 镜 上 观 察的 ； 在热膨胀仪上测定 2 5 ～4 0 0 。 C试样 的热膨胀 系数 ， 升温速 度 为 5 ℃／ mi n ； 热导 率 在激 光 热 导率 测 试仪 上 测定 ； 采用 三 点抗 弯法 测 试抗 弯 强 度， 在 DS C 一 5 0 0 0型万 能 材 料 实 验 机 上 完 成 ； 硬 度 测 试 在 HB V 一 3 0型布 氏硬 度机 上完 成 。 2 结果与讨论 2 ． 1 烧 结时 间对梯 度 材料 密度 的影 响 图 1梯度材料密度与烧结时间的关系。从 图中 可 以看 出 ， S i p ／ A1 梯 度 材料 ， 随着 烧 结 时 问 的延 长 ， 呈现 出先增高后降低的趋势 。主要是 由以下几个因 素影 响 1 随着 烧结 时 间的增 加 ， Al 相更 易 流 动 ， 流动 范 围也 更广 ， 能 够 充 分 填 充 S i 相 间 的孔 洞 ， 从 而减 少空隙， 使烧结体更加致密化[ l 。但从图中可 以看 出 ， 0 ～1 h阶段 梯度 材 料 的 密度 随着 时 问 的增 加 而 迅 速增 加 ， 这主 要是 铝液 在毛 细孔 的作 用下 ， 快 速 的 填充 s i 相 问的空 隙， 从而使得 致密度 得到迅 速增 加 ； 1 h后 ， 大部分 空隙得到填充 ， 材 料的密度提高 较慢 ， 6 5 S i ／ A1 层处存在少部 分空隙 ， 难 以填充 ， 同 时两相间产生较好 的冶金 结合 ， 使得致 密度得到进 一 步提高 ； 但 2 h后 ， 材料 的性能开始下降 ， 这主要 是 因为 ， 随着烧 结 时间 的增加 ， 烧 结体 出现 “ 流汗 ” 现 象 ， 铝液从模具 中溢 出， 使得烧结体成分不均匀 ， 密 度降低 ， 从而使性能下降。 2 铝硅之间的润湿性的提高， 使得体系中两相 间 的结合 方式 得 到 了较好 的 提 高 。低 温下 ， 铝硅 两 相 间的 润湿性 较差 ， 缺 陷较 多 ， 致 密度 低 ； 高温 下 ， 铝 硅 两相 间 的润湿 性 有 了较 大 的改 善 ， 出现 了直 接 润 湿 ， 使得 界 面结合 更好 ， 界 面热 阻下 降 ， 致 密度 提 高 。 因此 ， 烧结时间的增加 ， 使得铝硅界面反应更好 ， 更 充 分 。 2 ． 2显微 组织 图 2为粉 末 冶 金 热 压 法制 备 的 S i p ／ A1 梯 度 材 料 显微 组织 。从 图中 可 以清 晰 的 看 出合 金是 由 S i 、 A1 两相组成 ， 均匀的分布在 Al 基体 中， 并且含量逐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 42 粉末 冶金工业 第 2 4卷 致密度提高 ， 使得两相间的结合大大改善 ， 从而降低 了材料的热膨胀系数。 1 O 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 T／ C 图 4 S i p ／ A I 梯度材料热膨胀 系数 2 ． 4 热导 率 表 2是 S i p ／ A 1 功能梯度材料 的热导率。从表 中可 以看 出， 梯度材料的热导率符合电子封装材料 的要 求 ， 优 于 传 统 的 Ko v a r合 金 1 7 W m K 和 I n v a r 合 金 1 0 W m K～ 。此 外 ， 热 等静压致密化后 ， 梯度材料的热导率较热压烧结后 也有显著提高。 表 2 S i p ／ A I 功能梯度材料 的热导率 材料 AI s i 热压HI P ／ W m K 2 3 7 1 3 5 9 8 1 2 1 常见 的热 导率模 型 有 以下 几 种l 】 I Ro m 混 合定 律 V V 4 1 1 Ma x w e l l 模 型 ㈦ 一 丁 二 U I P ． G． Kl e me n s 模 型 1一 V V 一 1 一 V s 式 中 m 、 P分 别表 示基 体 和增强 相 ； 、 V分 别表 示 热导率和体积分数 ； 3 2 一 。 上述三个模型所计算 的理论值如图 5 所示。从 中可以看出， 影响梯度材料热导率的因素 主要有两 方 面 ①材料 的致密度。致密主要是由基体和增强相 之间的结合 ， 以及基体之间的孔隙决定 的。孔 隙内 的气体导热系数低 ， 过多的气孔大大降低了材料的 导 热性 能 。 ② 界 面 热 阻 。 界 面 是 材 料 内部 热 阻 的 主 要 来 源 ， S i 含量的增加 ， 使得材料 内部形成大量的界面 ， 下 车 未 斛 图 5 S i p ／ A I 复合材料热导率 理论 值 阻碍了声子和 电子 的运动 ， 且 s i 的热导率较低 ， 从 而降低了材料的热导率 。而实际在复合材料 中， 界 面热 阻是 不可 忽略 的 ， 上 述 理 论 模 型 忽 略 了界 面 热 阻对 材料 的热 导影 响 。 2 ． 5 材 料 的力学 性能 图 6为 S i p ／ A1 梯 度材 料断 口形 貌 ， 从 图 中可 以 看 出 ， 颜 色较 深 的 为 S i 相 ， 颜 色 较 浅 的 为 Al 相 ， 并 且在断 口处有大小不等 的韧 窝。这主要是 由于 s i 含量 超 过 5 O ， 断裂 以 S i 的脆 性 断 裂 为 主 ， 也包 含 Al 的韧性断 裂， 并 且 Al 、 s i 两相很 好 的结 合在 一 起 ， 没有出现颗粒脱落、 孔洞和杂质 。 图 6 S i p ／ A I 功能梯度材料 断口形貌 图 7为 S i p ／ A1 功 能 梯 度 材 料 的硬 度 在 热 压 和 热等静压后 的对 比。铝硅 复合 材料 的硬度 取决于 s i 的含量 以及铝硅两相 间的结合程度。复合材料 硬度 Ro m 定律 H H V H V 7 式中 m 、 P分别表示 基体和增强相 ；H 、 V分 别表示硬度和体积分数 。由上式可知， 随着 s i 含量 的增 加 ， 硬 度 值 呈线 性 增 加 ， 从 图 中可 以看 出 ， 随着 S i 含量 的增 加 ， 各 层 的硬 度 增 加 。这 主 要 是 由于 Al 是塑性相 ， 相对于 S i 而言其硬度较低 。从上至下， Al 5 O 5 O 5 O I ， 0 ． 0一 u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m