金剛石鋁復(fù)合材料熱性能的研究

金剛石鋁復(fù)合材料熱性能的研究

0金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料的制備隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模和大規(guī)模電路的集成度越來(lái)越高，其發(fā)熱量也越來(lái)越大。這就要求電子密封材料具有低粘度和高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)。天然金剛石擁有自然界中最高的熱導(dǎo)率以及低的熱膨脹系數(shù),且熱導(dǎo)率受晶型、晶粒大小以及雜質(zhì)的影響。金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料是一種具有廣闊前景的電子封裝材料,并已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料的方法主要有無(wú)壓浸滲法和粉末冶金法。其中無(wú)壓浸滲制備的復(fù)合材料致密度低,無(wú)法應(yīng)用于高要求的電子封裝。而粉末冶金制備時(shí)需要單獨(dú)的模具且制備工藝相對(duì)復(fù)雜,成本較高。真空壓力浸滲法能做到近凈成型,能完成復(fù)雜形狀產(chǎn)品的生產(chǎn),成本比粉末冶金法低,制備的復(fù)合材料致密度比無(wú)壓浸滲的高,且能夠有效避免金剛石在空氣條件下結(jié)構(gòu)遭到破壞,但此方面的研究并不多。為此,作者采用真空壓力浸滲法制備了金剛石/鋁復(fù)合材料,研究了不同品級(jí)與粒徑的金剛石對(duì)復(fù)合材料熱性能的影響,并對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)以及界面進(jìn)行分析,為真空壓力浸滲制備近凈成形金剛石/鋁復(fù)合材料研究提供依據(jù)。1材料的制備和熱性能測(cè)試試驗(yàn)用原料包括純度為99.99%的鋁以及金剛石顆粒,金剛石顆粒有普通研磨級(jí)(平均粒徑分別為35,85,135μm,淡黃色,棱角尖銳不規(guī)則)以及MBD4級(jí)(平均粒徑為115μm,淡黃色,晶型為良好的立方八面體)共4種,依次編號(hào)為1#~4#。先將金剛石顆粒在體積分?jǐn)?shù)20%H2和Ar混合氣中加熱至750℃保溫1h,以除去金剛石中的氧化物;然后采用真空壓力浸滲法(如圖1所示)制備金剛石/鋁復(fù)合材料,下?tīng)t膛鋁液保溫溫度為750℃,上爐膛保溫溫度為700℃,采用氮?dú)膺M(jìn)行壓力助滲,壓力10MPa,保壓時(shí)間30s,浸滲完成后隨爐冷卻。1#~4#金剛石顆粒制備的金剛石/鋁復(fù)合材料分別記為1#~4#試樣,它們的金剛石體積分?jǐn)?shù)均為40%。將尺寸為ue7886mm×35mm和ue7886mm×25mm的復(fù)合材料試樣分別用于測(cè)量熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。采用穩(wěn)態(tài)法在TCT416型熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x上測(cè)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,測(cè)試原理為循環(huán)水形成一個(gè)穩(wěn)定的溫差,通過(guò)測(cè)量試樣在穩(wěn)定溫度梯度下兩端的電勢(shì)差,和標(biāo)準(zhǔn)試樣比對(duì),從而得出試樣熱導(dǎo)率。采用DIL402C型熱膨脹儀測(cè)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù),試驗(yàn)溫度為25~200℃;采用VHX-1000型超景深顯微鏡及Quanta250FEG型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的顯微組織,金相試樣先經(jīng)水磨,然后依次由粗到細(xì)(2000#砂紙)打磨,再使用W1金剛石拋光膏拋光,最后酒精清洗;將試樣人工打斷后,采用Quanta250FEG型掃描電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1鋁水封閉系統(tǒng)的熱性能分析由圖2可見(jiàn),用普通研磨級(jí)金剛石制備的復(fù)合材料中,金剛石顆粒均勻地分散在基體鋁中;金剛石顆粒尺寸越小,越尖銳,其總表面積越大,和鋁的結(jié)合面也就越多,對(duì)基體的釘扎效果越好。以1#試樣為例觀察普通研磨級(jí)金剛石制備復(fù)合材料的SEM形貌,如圖3所示。從圖中可見(jiàn),金剛石和基體鋁之間形成了一定的結(jié)合,但是基體鋁中存在少許縮孔,如圖中箭頭所指,這些縮孔不僅降低了復(fù)合材料的致密度,同時(shí)它們還是熱的不良導(dǎo)體,會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究表明,鋁液在凝固過(guò)程中,孔洞最多可以達(dá)到2%(體積分?jǐn)?shù))。產(chǎn)生這些縮孔的原因是鋁液在浸滲過(guò)程中所受的阻力不均勻,靠近模具壁處的阻力大,中心處的阻力小,故鋁液優(yōu)先向中心處浸滲,模具壁處最后凝固團(tuán)縮,留下氣孔。由圖4可以看出,4#試樣的斷裂形式主要以鋁和金剛石的撕裂為主,斷口沿著鋁與金剛石的結(jié)合面,尤其是鋁和金剛石間的(111)面處鋁易于剝落,這說(shuō)明鋁和金剛石(111)面的結(jié)合較弱;在鋁還未剝落的地方存在很多間隙,這說(shuō)明鋁與金剛石的浸潤(rùn)性差。從背散射電子像中的箭頭處可以看出,金剛石的(100)面易與鋁結(jié)合,并且結(jié)合牢固。這和(100)面以及(111)面上碳原子的排布有關(guān),金剛石屬于立方晶系,具有面心立方結(jié)構(gòu),在(100)面上的鍵能較小,鍵容易被打開(kāi)并與鋁發(fā)生反應(yīng),從而有利于金剛石和鋁的結(jié)合,正是鋁原子擴(kuò)散到金剛石的(100)界面,置換了(100)上的碳原子,從而產(chǎn)生了界面反應(yīng)。文獻(xiàn)[12-14]指出在真空壓力浸滲制備金剛石/鋁復(fù)合材料前,對(duì)金剛石進(jìn)行表面涂覆處理,可以改善鋁液與金剛石的浸潤(rùn)性。2.2熱膨脹系數(shù)的測(cè)試復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可調(diào)控性是其能在電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要因素,封裝材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)必須與基板的相匹配,否則在芯片發(fā)熱過(guò)程中,會(huì)因熱膨脹不均勻而導(dǎo)致材料內(nèi)部的連接處出現(xiàn)熱應(yīng)力,反復(fù)的熱應(yīng)力沖擊會(huì)使封裝材料失效,從而出現(xiàn)電路故障。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在于其熱膨脹系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,增強(qiáng)顆粒的尺寸以及含量都會(huì)影響復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù),復(fù)合材料的界面結(jié)合越好,增強(qiáng)顆粒對(duì)基體的約束越強(qiáng),復(fù)合材料在受熱過(guò)程中的膨脹越小。由圖5可以看出,對(duì)普通研磨級(jí)的金剛石顆粒,其尺寸越小,復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)越小。這是因?yàn)?在金剛石含量相同的條件下,金剛石顆粒的尺寸越小,其表面積就越大,復(fù)合材料的界面越多,所受束縛越強(qiáng),故熱膨脹系數(shù)越小。結(jié)合圖2也能看出,尺寸小的金剛石顆粒頂端比較尖銳,與鋁結(jié)合后容易形成應(yīng)力集中,保證復(fù)合材料具有較低的熱膨脹系數(shù),這也是1#試樣熱膨脹系數(shù)較小的另一個(gè)原因。另外,MBD4等級(jí)金剛石顆粒制備的4#試樣其熱膨脹系數(shù)最小。用MBD4等級(jí)金剛石顆粒表面呈規(guī)則的立方八面體結(jié)構(gòu),規(guī)則的金剛石表面,尤其是(100)面,與鋁的界面結(jié)合良好,如圖4所指,很好地束縛了基體的熱膨脹。實(shí)際上,適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)對(duì)提高復(fù)合材料的熱性能是有利的。為了改善金剛石與鋁的界面結(jié)合,有必要對(duì)金剛石進(jìn)行表面處理,鍍層是一種可行的選擇,王新宇等在金剛石表面涂覆了TiC,使得復(fù)合材料的界面結(jié)合得到了改善,而界面的有效結(jié)合也在復(fù)合材料受熱過(guò)程中起到良好的束縛作用,最終使復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)比較穩(wěn)定。2.3復(fù)合材料熱性能分析試驗(yàn)測(cè)得4#試樣的熱導(dǎo)率最高,為136W·m-1·K-1;用普通研磨級(jí)金剛石制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率變化規(guī)律不明顯,1#~3#試樣的熱導(dǎo)率分別為125,115,119W·m-1·K-1。與理論值相比,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率偏低,基體中的縮孔、金剛石(111)面的不良結(jié)合都是熱導(dǎo)率偏低的原因;另有研究表明,未涂覆處理的金剛石反應(yīng)后,Al4C3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%~30%,在潮濕的室溫環(huán)境下經(jīng)過(guò)數(shù)周即能發(fā)生如式(1)所示的腐蝕降解,長(zhǎng)時(shí)間放置后反應(yīng)引發(fā)的原位孔洞是熱導(dǎo)率偏低的另一個(gè)重要原因。與無(wú)壓浸滲法和粉末冶金法相比,真空壓力浸滲法制備金剛石/鋁復(fù)合材料的熱性能較好,尤其是熱導(dǎo)率。在解決好界面結(jié)合的問(wèn)題后,該方法勢(shì)必具有更大的優(yōu)勢(shì)。在電子封裝材料領(lǐng)域,真空壓力浸滲法能夠滿足其對(duì)熱性能的設(shè)計(jì),還能制備各種形狀的定制零件,是一種很有前景的材料制備技術(shù)。3金剛石顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料熱膨脹性能的影響(1)通過(guò)真空壓力浸滲法成功制備了金剛石顆粒尺寸為35,85,135μm(普通研磨級(jí))和115μm(MBD4等級(jí))的金剛石/鋁復(fù)合材料,金剛石顆粒在基體中分布均勻。(2)在金剛石體積分?jǐn)?shù)相同情況下,用普通研磨級(jí)金剛石制備的復(fù)合材料的熱