封裝SiCp／Cu復(fù)合材料組織性能研究

杜建全，王開坤，周 璐，田麗倩

（1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100083；2.中航三林集團鈦業(yè)有限公司，山東 淄博，255086）

隨著航空航天和國防微波電路、微電子器件、半導(dǎo)體集成電路向大功率、小型化、輕量化、高密度組裝化以及高性能、高可靠性方向的發(fā)展，對電子封裝材料提出了更高要求［1］。傳統(tǒng)的封裝材料往往在某個性能上存在不足，如因瓦合金、可伐合金雖然具有較低的熱膨脹系數(shù)，但導(dǎo)熱性能很差；某些金屬如Cu、Al具有很好的導(dǎo)熱性，但熱膨脹系數(shù)過大；Mo和W的熱物理性能較好，但難于焊接，不易加工，且密度大、價格高。因此，開發(fā)新型高性能電子封裝材料成為必然趨勢［2－4］。

碳化硅顆粒增強銅基復(fù)合材料就是在此背景下新近出現(xiàn)的一種新型封裝材料，SiCp／Cu材料結(jié)合了碳化硅低熱膨脹系數(shù)、高強度以及銅的高導(dǎo)熱性、韌性，是一種頗為理想的封裝材料［5］。為此，本文采用粉末冶金法制備不同體積分數(shù)SiC的SiCp／Cu復(fù)合材料，并對其顯微組織、熱物理性能和力學(xué)性能進行研究，以期為封裝SiCp／Cu復(fù)合材料的制備工藝提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料

本實驗所用基體材料為錫青銅粉末，顆粒尺寸約為74μm，其中Sn含量約為10%，其熔化起始溫度為862℃，熔化結(jié)束溫度為1011℃，流動性為30～35s／50g，密度為2.6～3.5g／cm3。增強體材料為不規(guī)則形狀的SiC顆粒，平均顆粒尺寸為10μm。高溫下SiC顆粒與Cu基體易發(fā)生界面反應(yīng)生成Cu3Si等中間合金，而且青銅與SiC顆粒的潤濕性很差，所以在復(fù)合材料中需添加少量的Al粉末。

1.2 實驗方法

1.2.1 SiCp／Cu復(fù)合材料制備

按照預(yù)先設(shè)定比例配制SiC、銅合金粉和Al粉末，并將其放入球磨機中通過機械濕混法進行均勻混合，混粉時間為1h。將混粉均勻的粉末在YT32－200C型四柱液壓機上進行冷壓致密化，對壓制后的復(fù)合材料進行排蠟處理以去除壓坯中的黏結(jié)劑，然后對壓坯進行無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800℃，保溫時間為1h，分別制備出SiC體積分數(shù)為20%、35%、50%的SiCp／Cu復(fù)合材料試樣。

1.2.2 試樣表征

采用NEOPHOTO21型金相顯微鏡、LEO－1450型掃描電鏡對制備不同體積分數(shù)SiC的SiC／Cu復(fù)合材料試樣進行組織觀察；采用 WCP型熱膨脹儀、DZL402C型熱分析儀對試樣熱物理性能進行測定；采用TH320型洛氏硬度計對試樣進行硬度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 SiCp／Cu復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)

圖1為不同體積分數(shù)SiC制備SiCp／Cu復(fù)合材料的金相組織照片。由圖1可看出，SiC體積分數(shù)為20%時復(fù)合材料SiC顆粒分布均勻，未觀察到氣孔。但隨著SiC體積分數(shù)的增大，復(fù)合材料中的氣孔、孔洞增多，增強相出現(xiàn)偏聚，且SiC體積分數(shù)越大，增強相的偏聚現(xiàn)象越加嚴重。

圖2為SiC體積分數(shù)為20%時SiCp／Cu復(fù)合材料的SEM照片。由圖2（a）可看出，SiCp／Cu復(fù)合材料的組織致密，無裂紋、氣孔；基體晶界明顯，晶粒細??；SiC顆粒與基體結(jié)合良好，個別區(qū)域出現(xiàn)堆砌、偏聚現(xiàn)象，偏聚區(qū)有少量空洞。這是由于SiC形狀不規(guī)則且硬度極大，因此在壓制過程中，相鄰顆粒之間有時出現(xiàn)滑動、移位，甚至出現(xiàn)孔洞。由圖2（b）可看出，SiC與青銅合金之間的界面結(jié)合主要依靠機械咬合，增強體與基體之間主要依靠粗糙面相互嵌入互鎖來進行連接，復(fù)合材料界面干凈且緊密。

圖2 SiCp／Cu復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs of SiCp／Cu composite

2.2 SiCp／Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率分析

青銅基體與SiC增強相的熱導(dǎo)率分別為245、120W／m·K，采用幾何模型、Maxwell模型和Bruggement模型［6］對不同體積分數(shù)SiC的SiCp／Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率進行理論計算，其熱導(dǎo)率理論值變化曲線如圖3所示。由圖3可看出，不同體積分數(shù)SiC的SiCp／Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率曲線相差不大，也就是說，在相同的增強相體積分數(shù)下，按照不同模型計算的復(fù)合材料熱導(dǎo)率值相差不大，其理論計算模型均以假設(shè)增強相的圓球形為基礎(chǔ)。

圖3 SiCp／Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率理論值與SiC體積分數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between theoretical value of thermal conductivity of SiCp／Cu composites and volume fraction of SiC

通過對不同體積分數(shù)SiC的SiCp／Cu復(fù)合材料進行熱導(dǎo)率測量，SiC體積分數(shù)為20%、35%、50%的復(fù)合材料熱導(dǎo)率分別為167、145、130W／m·K。由此可看出，復(fù)合材料熱導(dǎo)率的實際值小于理論值，這在很大程度上表明粉末冶金法制備復(fù)合材料具有一定的孔隙率。SiCp／Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著SiC含量的增多而減小，這與理論計算值相符合。事實上，顆粒增強復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不僅是增強體含量的函數(shù)，而且還受到其顆粒尺寸及分布情況的影響。

2.3 SiCp／Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)分析

取SiC顆粒與銅基體熱膨脹系數(shù)分別為5.12×10－6、16.15×10－6K－1，楊氏模量分別為450、110GPa，泊松比分別為0.142、0.3，采用ROM模型、Turner’s模型和Kerner模型對不同體積分數(shù)SiC的SiCp／Cu復(fù)合材料進行計算，其熱膨脹系數(shù)理論值如圖4所示。由圖4可看出，SiCp／Cu復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)理論值隨著SiC含量的增多而減小。

圖4 SiCp／Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與SiC體積分數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal expansion coefficient of SiCp／Cu composites and volume fraction of SiC

本研究所測SiC體積分數(shù)分別為20%、35%、50%的SiCp／Cu復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)實際值分別為10.2×10－6、8.6×10－6、9.6×10－6K－1。由圖4對比可知，當SiC體積分數(shù)分別為20%、35%時，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)實際值小于上述3種模型的理論值，而當SiC體積分數(shù)為50%時，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較Turner’s模型理論值小。各種模型計算的熱膨脹系數(shù)雖隨著增強相的增多而減小，但當SiC體積分數(shù)為50%時，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)反而比SiC體積分數(shù)為35%時的大，這是因為其致密度低，復(fù)合材料中含有大量氣孔而嚴重影響熱膨脹系數(shù)。

圖5為SiC增強相體積分數(shù)為20%時復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化。由圖5可看出，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)在溫度為50～500℃范圍內(nèi)有升高趨勢，且在100℃溫區(qū)時升高速率較快，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)控制在（10.2～12.7）×10－6K－1范圍內(nèi)，這與理論值具有匹配性，表明此復(fù)合材料熱穩(wěn)定性良好，可滿足電子封裝材料的要求。

圖5 SiC體積分數(shù)為20%時SiCp／Cu復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)曲線Fig.5 Thermal expansion coefficient curve of SiCp／Cu composites with 20%volume fraction of SiC

2.4 SiCp／Cu復(fù)合材料硬度分析

本研究測定了SiC體積分數(shù)分別為20%、35%、50%時SiCp／Cu復(fù)合材料的硬度，其結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，復(fù)合材料的硬度值隨著SiC體積分數(shù)的上升先提高，隨后有所降低。這是由于當SiC含量增加時，復(fù)合材料中受到外界壓力時有效載體增多，因此材料的承載能力增強，復(fù)合材料硬度值提高。但隨著SiC含量繼續(xù)上升時，SiCp／Cu復(fù)合材料致密度減小，孔隙率增大，從而導(dǎo)致SiCp／Cu復(fù)合材料的硬度值降低。由此可看出，在SiCp／Cu復(fù)合材料中，當SiC體積分數(shù)小于35%時，復(fù)合材料的硬度值變化取決于SiC含量；當SiC體積分數(shù)大于35%時，復(fù)合材料的硬度值取決于致密度。

圖6 不同體積分數(shù)SiC時SiCp／Cu復(fù)合材料硬度值Fig.6 Hardness of SiCp／Cu composites with different volume fractions of SiC

3 結(jié)論

（1）隨著SiC體積分數(shù)的上升，SiCp／Cu復(fù)合材料的氣孔、孔洞增多，其增強相偏聚，且SiC體積分數(shù)越大，增強相的偏聚現(xiàn)象越嚴重。

（2）隨著SiC含量的升高，SiCp／Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率減小，其熱膨脹系數(shù)先減小后增大，硬度值先提高后降低。在SiCp／Cu復(fù)合材料中，當SiC體積分數(shù)小于35%時，復(fù)合材料的硬度值變化取決于SiC含量；當SiC體積分數(shù)大于35%時，復(fù)合材料的硬度值取決于致密度。

［1］方明，王愛琴，謝敬佩，等.電子封裝材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.材料熱處理技術(shù)，2011，40（4）：84－87.

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［5］陳棟.粉末冶金法制備SiCp／Cu復(fù)合材料工藝研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2009.

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