铜氮化铝复合材料的制备与性能分析

1、昆明理工大学毕业设计（论文）开 题 报 告题 目： 铜氮化铝复合材料的制备与性能分析 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料科学与工程 学生姓名： 张宏阳 指导教师： 周晓龙 日 期： 2015 3.11 毕业设计（论文）的主要内容：1、选题的目的及意义在当今经济、科技高速发展的时代，材料已经成为推动社会前进的主要动力，而人们对材料性能和成本的要求越来越高，尤其是在航天航空、电子工业、集成电路、电子封装等领域。传统的纯铜及铜合金机械性能良好，且工艺性能优良，易于铸造，易于塑性加工等，有良好的耐蚀、导热、导电性能，但硬度和抗拉强度低、热稳定性差等问题已不能够满足信息技术和微电子工业对高强、

2、高导材料的要求。而随着现代电子技术、航空航天的高速发展，对铜及其合金提出了更多更高的要求，即在保证铜的良好的导热、导电等物理性能的基础上，要求铜合金具有高硬度，尤其是良好的高温力学性能，并且要求复合材料有低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。所以为了满足生产中对铜材料的性能要求，人们研究出了铜基复合材料，即研究者在铜中通过引入适当增强相的复合强化方式既能同时强化相和基体的协同作用，又具有非常大的设计自由度，同时导电理论指出固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强的多，因此复合强化不会显著降低铜基体的导电性。相对于铜及其合金，铜基复合材料是一类具有优良综合

3、性能的新型结构功能一体化材料。它既继承了紫铜的优良导电性，又具有高的强度和优越的高温性能，在各种领域都有着广阔的应用前景1-2。自从20世纪60年代开始，就有科研工作者向铜基体中加入一些元素（增强相）从而制备出铜基复合材料。迄今为止，国内外找到了很多种铜基复合材料的增强体元素，增强体的选用要求具有高热导率、低热膨胀系数以及低的密度，目前采用的增强体主要有SiC、Al、Al2O3、O、W和Mo等3。氮化铝作为一种新型人工合成功能陶瓷材料与上述增强体相比具有更小的密度、更高的热导率以及更低的热胀系数，其理论热导率可高达320w/(mK)，线膨胀系数为484101/K，而密度仅为326g/cm3。而

4、且还具有高温下材料强度大等优点4，是理想的增强体。AlN陶瓷颗粒加人铜基体中能够起到提高基体材料的软化温度和降低热膨胀系数的作用且随着颗粒含量的增加复合材料的软化温度进一步提高,同时热膨胀系数进一步降低，将其与Cu等金属基体复合，有望获得满足性能要求的电子材料5【】。Cu-AlN材料便应用而生，作为一种新型铜基复合材料兼备了金属易加工、高导热、高导电的性能以及增强体轻质、低膨胀的性能，同时它还具有良好的尺寸稳定性、高的耐磨性和耐腐蚀性及性能的可设计性6。拥有如此之多的优点使它成为代替传统铜合金材料的最优选择之一，并且成为大功率电子元件及电子封装材料等领域的研究热点。因此本课题通过实验探索出一套

5、工艺简单，成本低廉、产品性能优良、适合规模化工业生产的具有自主知识产权的铜氮化铝复合材料的制造方法对于步建立我国高性能铜基材料体系，研究性能优异，有自主知识产权的高性能铜基材料，具有战略性意义和现实意义。2、国内外研究现状1.2.1 国内铜氮化铝复合材料的研究现状到现在为止，国内一些研究人员发现A1N陶瓷与氧化铝相比具有更高的导热特性，同时DBC基板具有铜箔的高导电特性，两者结合制备的A1N-DBC基板便发展成一种重要的电子封装材料，在AlN-DBC电子封装基板领域取得了一些成果。被广泛应用于大功率电力电子模块，如大功率DC/DC电源模块、固态继电器和功率模块用封装外壳中等7。另外也探索电沉积

6、Cu-AlN复合镀层的制备和性能研究。王子良8等人研究了直接覆铜氮化铝陶瓷基板，并分析AlN-DBC电子封装基板制备的关键因素及解决方向。有研究显示，A1N是一种非氧化物陶瓷，敷接铜箔的关键是使A1N表面形成A12O3过渡层，然后通过上述过渡层与Cu箔敷合实现A1N与Cu箔的敷合9。因氧化铝膜与氮化铝陶瓷热膨胀系数不匹配。当其降到室温时可能使A12O3与A1N的结合处产生应力而失效致使结合强度变差。那么要实现A1N与铜箔的有效结合，必须在保证致密氧化膜的前提下，尽可能减小膜的厚度以降低A12O3与A1N的内应力。李鹏等人10采用复合电沉积的方法，制备Cu-AlN复合镀层。根据正交试验方法以及单

7、因素分析法研究了不同的因素、水平对复合镀层沉积工艺以及性能的影响，着重探讨了不同粒径氮化铝对复合镀层性能的影响。结果显示：氮化铝的添加量和阴极电流密度是影响镀层性能的最主要因素，随着氮化铝添加量的逐渐增加，复合镀层耐磨性能和硬度越来越高，当升高至15g/l时，复合镀层的综合性能达到最好，当氮化铝添加量超过15g/l时，镀层的整体性能明显下降。当阴极电流密度为4A/dm2时，复合镀层的耐腐蚀性和耐磨性最为优良，之后随着阴极电流密度的增加，镀层的综合性能下降。1.2.2 国外铜氮化铝复合材料的研究现状陶瓷覆铜基板是功率模块封装技术中关键材料，其性能决定着模块的散热效率和可靠性11-12。氮化铝陶瓷

8、直接覆铜(DBC)基板是将铜箔在高温下直接键合到氮化铝陶瓷表面而制成的一种复合陶瓷基板13。它具有高导热性、高电绝缘性、大电流容量、高机械强度、优异的软钎焊特性、高的附着强度以及与硅半导体芯片相匹配的温度特性等特点，广泛应用于桥式整流器、闸流晶体管、可控硅整流器、开关电源模块(SMPS)、固态继电器(SSR)、高频电源用器件、绝缘栅双极晶体管模(IGBT)等电力电子功率模块14-16。近年来，高导热氮化铝陶瓷覆铜基板已经得到了较快的发展。日本东芝、DENKA、京瓷等公司均已研制出氮化铝覆铜基板，并用于IG-BT模块封装中。美国IXYS公司，德国的Curamik电子公司均自行研制出了各种规格的氮

9、化铝DBC基板17，用于大功率的电力电子器件中并已形成工业化生产。而且Curamik电子公司研究不同铜箔厚度的DBC基板的柔韧度。井且采用敷铜技术的冉瓷基板的柔韧度可以得到改善。生产的氮化铝DBC基板产品热导率高、剥离强度高、绝缘耐压性能好，同时具有良好的焊接和键合性能。这类材料在美国、日本等发达国家开发研究异常活跃,并已进入实用化阶段。3.实验方案本次试验才采用控制变量法，通过配比不同百分比的铜粉和氮化铝粉，制备出氮化铝含量分别为5%、10%、15%的材料，然后测定其物理力学性能，观察其金相组织，最后进行分析总结。设计（论文）的技术路线及预期目标：1 技术路线2 预期目标1 先通过实验成功合

10、成铜氮化铝。2 通过金相实验、X射线衍射仪来分析铜氮化铝的组织。3 测试样品的电导率、密度、硬度性能。课题进度计划（1）3月1号3月8号:熟悉研究课题,收集查阅相关资料；（1）3月9号3月18号:原材料的准备；（2）3月19号4月5号：铜氮化铝的压制制备；（3）4月5号4月27号：铜氮化铝的烧结工艺；（4）4月27号5月10号：铜氮化铝的组织观察和性能分析；（5）5月11号5月14号：英文文献的翻译；（6）5月14号6月3号：论文的撰写及修改。完成课题所需条件及落实措施：电子分析天平、玻璃纸、勺子、行星式球磨机、冷压模具、QYL100千斤顶、数显游标卡尺、SX2-4-10高温箱式电阻炉、砂纸、

11、金刚石抛光膏、抛光机、7501、7502涡流导电仪、LEICAMEF4M光学显微镜。均在实验室可以找到。参考文献、资料：1GuMan,WuYucheng,JiaoMinghua3,HuangXinmin. StructureandMechanicalPropertiesofCu/AlNano-compositeswithHighStrengthandHighConductivityRareMetalJ.MaterialsandEngineering,2014,43(7):1562-1565.2帅歌旺,张萌.高强度、高导电铜合金及铜基复合材料研究进展J.特种铸造及有色合金, 2005, （9）:

12、1. 3张蜀平,郑宏宇.电子封装技术的新进展J.电子与封装,2O04,4(1)：3-9. 4刘德宝,崔春翔.AlNp/Cu复合材料的热学性能J.机械工程材料,2006,（6）:58. 5宋美慧,李岩,于倩，AlNp/Cu复合材料研究进展J.黑龙江科学,2013,(7):27 6黄强,顾明元.电子封装用金属基复合材料的研究现状J.电子与封装,2003,3(2):22-25. 7井敏,何洪,宋秀峰.直接敷铜陶瓷基板及制备方法J.山东陶瓷,2007,(6):20. 8卢会湘,胡进,王子良.直接敷铜陶瓷基板技术的研究进展J.设备和封装技术,2010,(4):145. 9许昕睿,庄汉锐,李文兰,等.Al

13、N陶瓷基板敷铜技术的研究J.无机材料学报,2003,18(4):837-842.10李鹏,黄新民.电沉积Cu-AlN复合镀层的制备和性能的研究D.合肥工业大学硕士论文,2010,(4):5.11JurgenSchulz-Harder.AdvantagesandNewDevelopmentofDirectBondedCopperSubstratesJ.Microel ectronicsReliability,2003,(43):359-365.12JoyeuxT,JarrigeJ,LabbeJC,etal.EngMaterJ.2001,(555):206-213.13潘文霞,吴承康.氮化铝基板与

14、Cu和Al的结合及其表面改质效果J.金属学报,2000,36(1):67-71.14BurgessJF,NeugebauerCA,FlanaganG.DirectBondingofMetalstoCeramicsandApplicationinElectroni csJ.ElectrocompSciTechnol,1976,2(4):233-240.15SunYS,DriscollJC.ANewHybridPowerTechniqueUtilizingaDirectCoppertoCeramicBondJ.IEEETransElectronDevices,1976,(23):961-967.16陈大钦,林锋,肖来荣,等.DBC电子封装基板研究进展J.材料导报,