【doc】SiC泡沫陶瓷／SiCp／Al混杂复合材料的导热性能

【doc】SiC泡沫陶瓷／SiCp／Al混杂复合材料的导热性能 SiC泡沫陶瓷,SiCp,Al混杂复合材料的 导热性能 6材料工程/2008年1期 SiC泡沫陶瓷/SiCp/AI混杂复合材料的 导热性能 ThermalPropertiesofAluminumMatrixCompositesHybrid ReinforcedbySiCFoamandSiCParticles 赵龙志,何向明.,赵明娟,曹小明.,张劲松. (1华东交通大学机电学院,南昌330013; 2江西科技师范学院江西省材料表面工程重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 ,南昌330013;3中国科学院金属研究所,沈阳110016) ZHA0Long—zhi,HEXiang—ming., ZHAOMing—juan,CAOXiao—ming.,ZHANGJin-song. (1SchoolofMechanicalandElectronicalEngineering,EastC:hina JiaotongUniversity,Nanchang330013,China;2JiangxiKeyLaboratoryof MaterialSurfaceEngineering,JiangxiScienceandTechnologyNormalUniversity,Nancha ng 330013,China;3InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang1100 16,China) 摘要:运用挤压铸造法制备了SiC泡沫陶瓷/sic颗粒/Al混杂复合材料,研究了温度 和SiC泡沫陶瓷体积分数对复合材 料热膨胀的影响.结果表明:随着温度的升高,复合材料的热容逐渐增大,热扩散系 数,导热系数逐渐减小.随着增强体 SiC体积分数的增大,复合材料的热容线性下降,热扩散系数和导热系数均非线性 减小.由于混杂复合材料具有独特的 复式双连续结构,复合材料的导热系数大于130W/(m??). 关键词:混杂复合材料;导热系数;复式双连续 中图分类号:TB333;TG113.25文献标识码:A文章编号:1001—4381(2008)01—0006 —05 Abstract:NewmodelSiCpreformmadeupofSiCfoamandSiCparticle,SiCfoam/particle/A1hy— bridcomposites(s.c一53,56,59.9)forelectronicpackagingsubstratewerefabricatedby squeezecastingtechnology.ThethermalconductivityofSiCfoam/SiC./Alhybridcompositesonthe roomtemperaturewashigherthan130w/(m??)becauseofthespecialdoubleinterpenetrati ng structureofcomposites.Withincreaseofthetemperature,thespecificheatcapacityofcomposites wasincreased,thethermaldiffusivityandthethermalconductivitywasdecreased.Butwiththecon— tentofSiCreinforcementinthecomposites,thespecificheatcapacitywaslinearlydecreased,the thermaldiffusivityandthethermalconductivityofcompositeswasfellnonlinearlybecauseofthe effectofthethermalbarrierattheinterfaceofcomposites. Keywords:hybridcomposite;thermalconductivity;doubleinterpenetrating 随着航空航天工业,大规模集成电路和军事通讯 等方面的飞速发展,传统的电子封装材料已经不能满 足现代封装的要求.例如:集成电路的集成密度越来 越高,电子元器件的质量越来越小,要求所使用的电子 封装材料具有更高的导热系数,与之相匹配的基片具 有更低的热膨胀系数.传统的铝铜电子封装材料具有 优异的导热性能,但是其热膨胀系数远大于芯片.这 使得它们与电子元器件的匹配性能非常差,经受不了 热疲劳的冲击,降低电子器件的寿命;Kovar和Invar 合金的热膨胀系数低,但是导热系数小,密度大,也不 能满足现代电子封装的要求.金属基复合材料由于具 有优异的综合热物理性能,因而作为电子封装材料有 广阔的应用前景_l].在金属基复合材料中,SiC/Al 复合材料具有高导热率,低热膨胀系数和密度小等优 点,已经成为电子封装基片的首选材料.目前研究得 比较多的是SiC./Al复合材料,但是其制备工艺复杂, 限制了其应用[7;同时,高体积分数的SiC颗粒限制 了SiC/Al复合材料的导热性能,限制了该类材料在 SiC泡沫陶瓷/SiC./A1混杂复合材料的导热性能7 大功率封装基片中的应用_9. 双连续相复合材料的增强体与基体彼此相互贯 通,使得增强体各个胞之间有效地相互制约_1.增 强体对基体的严格约束作用,使该类复合材料具有比 传统弥散增强复合材料低的热膨胀系数.但 是,当SiC泡沫增强体具有良好的开孑L连通性时,SiC 的体积分数不能满足电子封装的要求.因此,在泡沫 孑L内添加SiC.可以提高复合材料中SiC总的体积分 数,使复合材料的热膨胀系数与芯片相匹配91,本工 作研究了添加SiC.的SiC泡沫/Al双连续相混杂复合 材料的导热性能. l实验方法 实验用SiC泡沫陶瓷骨架(见图1)采用反应烧结 法制备,泡沫孑L径约为lmm;SiC颗粒的直径为 20p.m,在泡沫孑L中的体积分数约为43%(通过金相相 分析得到),因此,复合材料中混合增强体SiC的总体 积分数为53,56和59.9.基体为ZL109,其主 1.0,Cu—l_0,Mg—1.1, 要成分为A卜85.1,Ni, si—l1.8.采用传统的挤压铸造法制备SiC泡沫陶 瓷/SiC./AI混杂复合材料lg],主要工艺参数为:浇注 温度为75O?,模具预热温度为250?,增强体预热温 图1SiC泡沫增强体的形貌(a)宏观;(b)筋的表面 Fig.1AppearanceofSiCfoamceramics(a)macro—appearance:(b)surfaceofstrut 度为800?,复合压力为120MPa,保压时间为15s. 采用动态法测量复合材料的导热系数,通过将样 品的实际温度变化与已知热容的参比样品的温度变化 相比较测量热容.通过采用德国NETSCH公司的新 型LFA447Nanoflash闪光导热仪测量得到热扩散 系数.导热仪使用氙灯作为加热源加热样品表面,使 用红外探测器读取样品温度的变化,减少了潜在的表 面热阻.样品尺寸为412.7mm×2.5mm,测量样品的 温度范围为25,200?.在$360扫描电子显微镜和 德国产的MEF4A金相显微镜下观察复合材料的形 貌,运用标准ASTM—E562相分析软件分析复合材 料中SiC颗粒的含量,采用Archimedes法测量复合材 料的密度,在测量热扩散系数0/的同时得到材料的热 容c,通过下式计算样品的导热系数: 一0/?』D?Cp(1) 式中:lD为密度;C为热容(又称比热). 2结果与讨论 2.1SiC泡沫陶瓷/SiC,/A!混杂复合材料的形貌 SiC泡沫陶瓷/SiC./AI混杂复合材料由SiC泡沫 陶瓷和SiC.混合增强体与基体ZL109构成.SiC泡 沫陶瓷由泡沫孑L和泡沫筋组成(见图la),泡沫筋由位 于筋中心的三角孑L和四周的疏松多孑L的筋壁组成,筋 壁具有类似于泡沫的三维连通网络结构(见图1b),这 些特殊的结构有利于泡沫筋和基体之间的界面结合. SiC泡沫陶瓷和SiC.形成混合增强体后被基体ZL109 充分浸渗,形成了复合材料,如图2所示.SiC颗粒均 匀地分布在泡沫孑L中,但在泡沫筋的中心三角孑L中却 没有SiC颗粒,这主要是因为三角孑L在整个泡沫陶瓷 中是连通的,SiC颗粒要进入三角孑L中必须通过泡沫 筋壁中的微孑L进入,而颗粒的尺寸比泡沫筋壁的微孑L 大,所以颗粒就到达不了三角孑L中.泡沫筋壁自身为 三维连通网络结构,因此基体铝合金和泡沫筋壁之间 就形成双连续结构,该结构称为局部双连续.局部双 连续结构增加了混杂复合材料的界面面积,增强了SiC泡沫陶瓷增强体和基体铝合金的界面结合.另 外,SiC泡沫陶瓷整体的网络结构使混杂复合材料具 有整体双连续结构,该结构制约着泡沫孑L中的SiC颗 粒和铝合金.由于复合材料具有独特的局部双连续结 构和整体双连续结构,所以混杂复合材料被称为复式 双连续相复合材料. 8材料工程/2008年1期 图2复合材料的形貌(a)低倍;(b)高倍 Fig.2Morphologyofcomposites(a)lowmagnified:(b)highmagnified 2.2复合材料的导热性能 图3为SiC泡沫陶瓷/sic./Al混杂复合材料的 热容与温度的关系.可以看出,随着温度的升高,复合 材料的热容缓慢升高;随着增强体SiC体积分数的增 加,复合材料的热容缓慢减小.这可能与复合材料各 组元的热容变化有关.热容是物体温度升高1?所需 的能量,固态物体的温度越高,物体中分子运动越剧 烈,参与剧烈运动的分子数量越多,参与剧烈运动的分 子增加的速度减小.因此,随着温度的升高,物体的热 容增大,增大的速度减小.由于材料的热容与其结构 关系不大,所以复合材料的热容也随着温度的升高而 增大.复合材料中增强体SiC的热容比基体铝合金的 大,因此SiC的体积分数越大复合材料的热容越小. 图3SiC泡沫陶瓷/sic/A1混杂复合材料 的热容和温度的关系 Fig.3SpecificheatcapacityofSiCfoam/A1一SiCp compositesvet'su$temperatures 图4为sic/Al复合材料的热扩散系数与温度的 关系.图5为sic/Al复合材料的导热系数与温度的 关系,导热系数是根据公式(1)计算的.从图4可见, 随着温度的升高复合材料的热扩散系数缓慢减小,减 小的速度越来越小;复合材料的导热系数也缓慢减小 (见图5),但是减小的速度越来越大.随着温度的升 高,复合材料的热容缓慢增大,增加的速度越来越小 Temperature/? 图4SiC/A1复合材料的热扩散系数和温度的关系 Fig.4ThermaldiffusivityofSiCfoam/A1一SiCp compositesveI'sustemperatures 图5SiC/A1复合材料的导热系数和温度的关系 Fig.5ThermalconductivityofSiCfoam/A1一SiCp compositesveI'sustemperatures (见图3),这可能与复合材料的组元及其组元的热传 导机制有关.材料的导热是一种能量传递现象,不同 类的物质传递热量的微观粒子及这些粒子传递热量的 方式是不同的.基体金属铝合金中电子间的相互作用 或碰撞是导热的主要机制,金属晶格间的声子导热作 用比较小,可以忽略不计.金属中电子导热与金属的 热容,电子的平均速度和平均自由程的乘积成正比. 当温度为25,200?时,电子的自由能决定于自由电 子的平均速度,这时温度对它几乎没有影响,因此平均 一1.p.暑.一\五I^;uI1口l10u宣J. SiC泡沫陶瓷/SiC./A1混杂复合材料的导热性能9 速度和温度变化无关.自由电子的平均自由程的数 值,在金属中完全是由电子的散射过程决定的.基体 铝合金的自由程受到原子热运动所产生的对于平衡位 置的偏移,晶格的弹性畸变,晶界和位错的影响而减 小.当温度升高时,原子的热运动加剧,原子对平衡位 置的偏移增大,电子的平均自由程减小,但是金属的热 容增大一一.因此,基体金属的导热系数取决于热容和 自由程的综合作用.由于平均自由程对导热系数影响 显着,随着温度的升高,基体铝合金的热扩散系数渐渐 减小,导热系数慢慢下降. 对于SiC陶瓷增强体,热量的传导主要靠晶格振 动实现,格波的传播过程是声子与声子以及声子与晶 界,点阵缺陷等碰撞的过程.影响导热系数的主要因 素是声子的平均自由程,平均自由程的大小基本上决 定于两个散射过程,即声子间的碰撞引起的散射和声 子与晶体的晶界,各种缺陷,杂质作用引起的散射.当 温度升高时,晶格振动加剧,声子问的相互作用或碰撞 加强,使平均自由程减小.在室温以上,声子与晶体的 不完整性,各种缺陷,晶界,杂质,位错及晶体表面等作 用引起的散射与温度无关,但它们会引起晶格的非谐 性,从而使声子间的作用引起的散射加剧,进一步减小 了声子的平均自由程.随着温度的升高,增强体 SiC中电子的自由程剧烈减小,而热容变化不大.因 此,随着温度的升高,增强体的导热系数减小,复合材 料的导热系数减小. 图6为室温下复合材料的热性能.从图6可以看 出,随着增强体SiC体积含量的增大,复合材料的热容 线性下降,热扩散系数和导热系数也渐渐降低,但不是 线性关系.这是因为增强体SiC的热容小于基体的热 容,而且热容和材料的结构没有关系,只与材料的成分 有关.因此,随着SiC含量的增加,复合材料的热容逐 渐减小.复合材料的导热系数大于130W/(m?oC), 满足了电子封装材料的要求(当材料的导热系数大于 )时就达到了电子封装的要求_】).复 100w/(m?? 合材料的导热系数不但与材料中各相的组成有关,还 与界面有关.复合材料的界面增大了热传导时的散射 作用,增加了复合材料的热阻,降低了材料的导热性 能.随着SiC含量的增加,虽然复合材料中声子的导 热作用增强,但自由电子的导热作用下降.由于自由 电子的导热能力远高于声子_2,复合材料的导热能 力下降.同时,随着SiC体积含量的增大,复合材料的 界面表面积增加,提高了界面对热传导的影响_2,也 导致复合材料导热能力下降.因此,随着增强体SiC 含量的增大,复合材料的导热性能下降. 图6室温下复合材料的热性能和SiC含量的关系(a)热容;(b)热扩散系数;(c)导热系 数 Fig.6RelationbetweenthermalpropertiesofSiCfoam/A1一SiCp compositesatroomtemperatureandcontentofSiC (a)specificheatcapacity;(b)thermaldiffusivity;(c)thermalconductivity 5O5O5O5O5: 加加铝铝 一T?.LuLu一\舌I^Is=IpLIJ』L{_I_ 1O材料工程/2008年1期 3结论 (1)运用挤压铸造法制备了SiC泡沫陶瓷/SiC颗 粒/A1混杂复合材料,复合材料的导热系数大于 130W/(ITI??),满足了电子封装材料的要求. (2)随着温度的升高,复合材料的热容慢慢增大, 热扩散系数和导热系数逐渐减小. (3)随着增强体SiC体积分数的增大,复合材料的 热容线性下降,热扩散系数和导热系数非线性下降. 参考文献 [123 [13] [14] [15] [16] [1]HUNTM.Electronicpackaging[J].MaterialsinElectronics, 1991,2:25—28.[173 [23 [3] [4] [5] [8] [73 [83 [9] [103 [11] SHENYL,NEEDLEMANA,SURESHS.Coefficientsofther— malexpansionofmetal—matrixcompositesforelectronicpackaging [J].MetallurgicalandMaterialsTransactions,1994,25A:839 — 850. KUMARAH,TUMMALARR.Thepresentandfutureof muhilayerceramicmuhichipmodulesinelectronicpackaging[J]. JournalofMinerals,Metals,Materials,1992.44(7):10—14. ZWEBENC.Metal—matrixcompositesforelectronicpackaging. metal—matrixcompositesforelectronicpackaging[J].Journalof Minerals,Metals,Materials,l992,44(7):15—23. ZWEBENC.Advancesincompositematerialsforthermalman— agementinelectronicpackaging[J].JournalofMinerals,Met— als,Materials,1998,50(6):47—51. PREMKUMARMK,HUNTWH,SAWTELLRR.Alumi— numcompositematerialsformuhichipmodules[J].Journalof Minerals,Metals,Materials,1992,44(7):2428. 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