高硅鋁合金電子封裝材料的制備與性能研究

高硅鋁合金電子封裝材料的制備與性能研究

0研究趨勢(shì)及材料研究進(jìn)展高硅鋁作為電子封閉材料，其質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)金屬基礎(chǔ)w-cu電子封閉材料的1.6。高硅鋁具有良好的導(dǎo)熱性，線槽系數(shù)可控，適合廣泛應(yīng)用于沖浪板的半發(fā)射材料。因此,高硅鋁合金作為基片襯底、機(jī)殼及蓋板等材料,可保證電子器件在使用過程中不致受熱或開裂而過早失效。高硅鋁合金電子封裝材料,代表了新型輕質(zhì)電子封裝材料的發(fā)展方向。高硅鋁合金制備工藝有熔鑄法、粉末冶金燒結(jié)法、噴射沉積和溶滲法錠坯制備技術(shù)和熱擠壓、半固態(tài)擠壓和熱鍛造等加工成形技術(shù),然而這些方法所制備材料,由于其熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)及抗拉強(qiáng)度難以同時(shí)滿足電子封裝材料的使用要求,必須尋求新的途徑,制備出能完全滿足使用要求的材料。彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料由于微粒子阻礙金屬基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化基體,其典型代表為燒結(jié)鋁粉(Sinteredaluminumpowders,SAP)等,由于其強(qiáng)化相多為氧化物,故也叫氧化物彌散強(qiáng)化(Oxidesdispersionstrengthening,ODS)合金。美國GliddenMetals公司發(fā)表了A12O3粒子分散強(qiáng)化Cu合金的報(bào)告,其制備方法是將Cu-Al合金用氣體霧化法霧化成粉末,然后對(duì)粉末進(jìn)行內(nèi)氧化,使其內(nèi)部A1氧化成A12O3粒子,再擠壓成制品,得到了性能優(yōu)良的A12O3彌散強(qiáng)化銅合金材料。鑒于此,試驗(yàn)采用高能球磨對(duì)Al-Si合金粉末進(jìn)行氧化預(yù)處理,然后結(jié)合包套擠壓,制備出A12O3與SiO2增強(qiáng)的彌散強(qiáng)化型鋁硅復(fù)合材料,本文系統(tǒng)研究了球磨時(shí)間對(duì)粉末球磨后所制備高硅鋁合金材料組織及電子封裝材料所要求物理性能的影響。1材料制備工藝材料制備工藝流程為:Al-Si合金粉末→高能球磨→包套→熱擠→制樣測(cè)試。1.1球磨時(shí)間對(duì)高能球磨設(shè)備的影響試驗(yàn)所用粉末名義成分為Al-30Si,粉末采用氮?dú)忪F化水冷制得,其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及實(shí)測(cè)粒度如表1所示。高能球磨設(shè)備采用自制專用球磨機(jī),選擇10mm與5mm兩種直徑的不銹鋼球進(jìn)行搭配,其質(zhì)量配比為1:1,球料比為10:1,分別采用8h,16h,24h與32h四種球磨時(shí)間進(jìn)行球磨(另有試驗(yàn)采用了高溫空氣氧化對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)處理,氧化溫度為300℃,為便于比較,氧化時(shí)間設(shè)定與球磨時(shí)間相同)。1.2通過封裝來制造不銹鋼包套、封裝工藝由于粉末經(jīng)過球磨處理后氧含量增加,在粉末表面形成了較厚一層氧化膜,導(dǎo)致致密化過程中合金元素的相互擴(kuò)散受到阻礙,難以形成冶金粘結(jié),因此須要采用一些特殊的致密化工藝;另外,合金中硅含量較高,合金粉末內(nèi)含有大量的初晶硅相,材料的塑性較差,同時(shí)由于Si相顆粒硬度高,加劇了模具的磨損,故一般采用塑性較好的材料(如純鋁)做包套封裝。將球磨后的合金粉末裝入特制的純鋁包套內(nèi),振實(shí)后其密度可達(dá)理論密度的70%,封閉焊合包套(包套蓋板上留有一小孔,以便擠壓時(shí)包套內(nèi)氣體的排出)。擠壓前對(duì)樣品采用520℃加熱保溫,保溫時(shí)間為1h,擠壓比為21.3(擠壓筒直徑為60mm,擠壓后直徑為13mm)。1.3材料密度和熱擴(kuò)散率采用EOPHAT金相顯微鏡及JEM-3010型透射電子顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行顯微組織觀察,透射電鏡試樣經(jīng)機(jī)械減薄到0.1mm左右,沖成直徑為3mm的圓片,再進(jìn)行離子減薄穿孔;采用排水法測(cè)量材料密度,所用分析天平最小精度為0.1mg;在日產(chǎn)HELIOT306S型He吸附試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行氣密性測(cè)試;在JR—2熱物性測(cè)試儀上進(jìn)行熱擴(kuò)散率測(cè)試;在日本理學(xué)差熱分析儀上進(jìn)行了熱膨脹系數(shù)測(cè)試。2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論2.1粉末高能球磨前后的晶粒的變化圖1為粉末經(jīng)高溫空氣氧化和球磨后所擠壓材料的金相照片,從圖1中可以看出,與高溫空氣氧化相比,粉末高能球磨后,所制備材料的晶粒更加細(xì)小,特別是硅粒子已明顯細(xì)化,在相同放大倍數(shù)下,圖1a中硅粒子清晰可辨,而圖1b中無法識(shí)別硅粒子。材料組織更均勻(減小了硅的偏聚)、更致密,空隙度減少,基體聯(lián)通更好,這對(duì)于材料氣密性、導(dǎo)熱性能和加工成形性能都相當(dāng)有利。2.2密度對(duì)材料的致密度粉末經(jīng)不同時(shí)間球磨后所制備材料的密度與氣密性實(shí)測(cè)值如表2所示。根據(jù)計(jì)算Al-30Si(實(shí)際硅含量24.46%)材料的理論密度為2.60g/cm3,從表2所列材料實(shí)際密度可以看出,材料密度非常接近于理論密度,其致密度在99%左右。首先,可以認(rèn)為材料是相當(dāng)致密的,這從圖2材料的金相組織也可以看出,但由于受材料加工手段的局限,實(shí)際上材料致密度不可能達(dá)到100%,這主要是由于在計(jì)算理論密度時(shí)忽略了粉末氧化對(duì)材料實(shí)際成分的影響,從而對(duì)理論密度的計(jì)算存在一定的誤差。另外,從表2中可以看出,粉末經(jīng)球磨后擠壓成形的材料氣密性很好,其值均在lnPa·m3·s-1以下,完全能滿足電子封裝材料對(duì)氣密性的要求,這主要是以下兩方面的原因:首先,隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng),粉末粒度變小,粉末在高能球磨過程中,反復(fù)的冷焊和破碎,使復(fù)合顆粒內(nèi)部組織不斷精細(xì)化,同時(shí)發(fā)生固相反應(yīng)擴(kuò)散,使鋁基體和增強(qiáng)顆粒界面結(jié)合力更強(qiáng);另一方面,粉末在球磨過程中,氧化程度的增加,細(xì)小彌散的氧化物數(shù)量增多,也可填充材料內(nèi)部微孔,降低材料內(nèi)部孔隙率,從而提高材料氣密性。2.3球磨后材料的熱膨脹性能合金粉末經(jīng)不同時(shí)間球磨后,材料在100,250,400℃所測(cè)熱膨脹系數(shù)如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可以看出,總體上說,材料的熱膨脹系數(shù)較低,且隨粉末球磨時(shí)間延長(zhǎng),開始下降的幅度較大,當(dāng)球磨時(shí)間超過16h后,再延長(zhǎng)球磨時(shí)間對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)影響甚微;當(dāng)球磨時(shí)間超過24h后,材料膨脹系數(shù)小于13μK-1,可滿足電子封裝材料殼體與蓋板的要求。熱膨脹性是鋁硅合金電子封裝材料一個(gè)非常重要的物理性能。純Al的熱膨脹系數(shù)高達(dá)23.6μK-1,而純Si的僅為3.5μK-1,A12O3的為6.5μK-1,SiO2的為0.4μK-1。因此,高硅鋁合金材料的低熱膨脹性主要與Si相的影響有關(guān),同時(shí)也受合金粉末氧化程度的影響。增強(qiáng)相或彌散相的體積分?jǐn)?shù)、尺寸大小、形狀分布、基體材料的強(qiáng)度與塑性、相間的界面性質(zhì)、結(jié)合強(qiáng)度、材料致密度以及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力,都會(huì)或多或少影響到材料熱膨脹系數(shù)。Al-Si合金粉末經(jīng)球磨處理后擠壓成材,其熱膨脹性能仍然主要取決于Si相的體積分?jǐn)?shù),Si粒子的大小及在材料中的分布。增強(qiáng)相越多,增強(qiáng)顆粒越細(xì),在材料中分布越均勻,對(duì)基體受熱膨脹的阻礙作用則越大,從而使材料的熱膨脹性能提高。但材料致密度增加,殘留空隙率降低,會(huì)使材料熱膨脹系數(shù)升高。這是由于孔隙在受熱時(shí)沒有膨脹,可以看成膨脹為零的剛性第三相。從前面材料的金相組織及致密度分析可知,粉末經(jīng)球磨后材料更致密,組織更均勻,這對(duì)材料的熱膨脹性能產(chǎn)生不利影響,但從表3結(jié)果顯示其熱膨脹系數(shù)卻普遍比高溫空氣氧化后所制備材料低,這主要?dú)w因于氧化顆粒對(duì)材料熱膨脹性能的影響。因?yàn)闊o論是A12O3還是SiO2,其受熱膨脹都是很小的,并且是均勻彌散分布在材料內(nèi)部,這必將阻礙基體的熱膨脹,從而使材料的熱膨脹系數(shù)減小。另外,材料中低膨脹氧化物數(shù)量的增加,本身就可降低材料的熱膨脹系數(shù)。2.4球磨后經(jīng)熱擠壓粉末經(jīng)不同時(shí)間球磨后所制備材料的熱導(dǎo)率如表4所示,從表4中可以看出,在相同球料比的情況下,隨著粉末球磨時(shí)間延長(zhǎng)材料熱導(dǎo)率增加,球磨時(shí)間在8～24h范圍內(nèi)變化時(shí),材料熱導(dǎo)率增加速度較大,球磨24h后,材料熱導(dǎo)率為142W·m-1·K-1,但繼續(xù)延長(zhǎng)球磨時(shí)間,材料熱導(dǎo)率增加速度降低,球磨32h后,材料熱導(dǎo)率為145.5W·m-1·K-1。一方面,高能球磨使合金氧化程度增加,氧化物本身的熱導(dǎo)率是很小的,粉末球磨氧化后經(jīng)熱擠壓,相當(dāng)于增強(qiáng)顆粒分布于復(fù)合材料中,應(yīng)該降低復(fù)合材料熱導(dǎo)率。但另一方面,高能球磨使Al-Si合金粉末細(xì)化,同時(shí)使合金粉末內(nèi)部?jī)?chǔ)藏大量的能量,促進(jìn)Al相的流動(dòng)和Si相的重排過程,使Al-Si粉末顆粒更好的粘合,減少材料內(nèi)部大量存在的氣孔、缺陷等造成的孔隙。而這些孔隙的熱導(dǎo)率很低,對(duì)聲子的散射嚴(yán)重,從而對(duì)材料導(dǎo)熱性能產(chǎn)生不利的影響。因此,降低材料孔隙率必然會(huì)提高材料導(dǎo)熱性能。其次是粉末的細(xì)化,不僅使材料致密度提高,而且會(huì)使Si相顆粒細(xì)小,且分布均勻,界面結(jié)合得到改善。圖2為Al-30Si粉末球磨24h后擠壓材料的透射電鏡照片,從此照片中可看出,擠壓材料中硅相與氧化物質(zhì)點(diǎn)分布較為均勻,從圖2b中可看出,界面結(jié)合良好,界面熱阻大大降低。隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng),材料熱導(dǎo)率增加。總的看來,由于合金粉末的氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)有限,而高能球磨過程可加速材料內(nèi)部的固態(tài)擴(kuò)散和反應(yīng),改善相界面的結(jié)合狀態(tài),使材料更加均勻致密,同時(shí)明顯細(xì)化材料中第二相(Si)顆粒,使基體之間得到更好的聯(lián)通,有利于提高材料熱導(dǎo)率。采用球料比10:1,粉末球磨24h后,隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng),粉末顆粒的冷焊與破碎將達(dá)到平衡,相應(yīng)的粉末粒度減小到一定程度后將不再降低,進(jìn)一步延長(zhǎng)球磨時(shí)間對(duì)熱擠壓后材料的組織影響大大減小。但研磨過程的機(jī)械能仍不斷地傳遞到粉末顆粒中,促進(jìn)原子的擴(kuò)散,改善界面的結(jié)合狀況,降低界面對(duì)傳熱聲子或電子的阻礙作用,從而提高材料的熱導(dǎo)率,但其提高幅度明顯減小。3球磨時(shí)間對(duì)材料熱導(dǎo)率的影響(1)與高溫空氣氧化相比,粉末高能球磨后,所制備材料的晶粒更加細(xì)小,特別是硅粒子已明顯細(xì)化,材料組織更均勻、更致密。(2)粉末球磨后所制備材料密度非常接近于理論密度,其致密度在99%左右;材料氣密性很好,其值均在1nPa·m3·s-1以下,完全能滿足電子封裝材料對(duì)氣密性的要求。(3)材料熱膨脹系數(shù)隨粉末球磨時(shí)間延長(zhǎng)而下降,但開始下降幅度較大,當(dāng)球磨時(shí)間超過16h后,再延長(zhǎng)球磨時(shí)間對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)影響甚微;當(dāng)球磨時(shí)間超