高硅铝合金电子封装材料的制备与性能研究

高硅铝合金电子封装材料的制备与性能研究

0研究趋势及材料研究进展高硅铝作为电子封闭材料，其质量仅为传统金属基础w-cu电子封闭材料的1.6。高硅铝具有良好的导热性，线槽系数可控，适合广泛应用于冲浪板的半发射材料。因此,高硅铝合金作为基片衬底、机壳及盖板等材料,可保证电子器件在使用过程中不致受热或开裂而过早失效。高硅铝合金电子封装材料,代表了新型轻质电子封装材料的发展方向。高硅铝合金制备工艺有熔铸法、粉末冶金烧结法、喷射沉积和溶渗法锭坯制备技术和热挤压、半固态挤压和热锻造等加工成形技术,然而这些方法所制备材料,由于其热导率、热膨胀系数及抗拉强度难以同时满足电子封装材料的使用要求,必须寻求新的途径,制备出能完全满足使用要求的材料。弥散强化金属基复合材料由于微粒子阻碍金属基体的位错运动而强化基体,其典型代表为烧结铝粉(Sinteredaluminumpowders,SAP)等,由于其强化相多为氧化物,故也叫氧化物弥散强化(Oxidesdispersionstrengthening,ODS)合金。美国GliddenMetals公司发表了A12O3粒子分散强化Cu合金的报告,其制备方法是将Cu-Al合金用气体雾化法雾化成粉末,然后对粉末进行内氧化,使其内部A1氧化成A12O3粒子,再挤压成制品,得到了性能优良的A12O3弥散强化铜合金材料。鉴于此,试验采用高能球磨对Al-Si合金粉末进行氧化预处理,然后结合包套挤压,制备出A12O3与SiO2增强的弥散强化型铝硅复合材料,本文系统研究了球磨时间对粉末球磨后所制备高硅铝合金材料组织及电子封装材料所要求物理性能的影响。1材料制备工艺材料制备工艺流程为:Al-Si合金粉末→高能球磨→包套→热挤→制样测试。1.1球磨时间对高能球磨设备的影响试验所用粉末名义成分为Al-30Si,粉末采用氮气雾化水冷制得,其化学成分质量分数及实测粒度如表1所示。高能球磨设备采用自制专用球磨机,选择10mm与5mm两种直径的不锈钢球进行搭配,其质量配比为1:1,球料比为10:1,分别采用8h,16h,24h与32h四种球磨时间进行球磨(另有试验采用了高温空气氧化对粉末进行预处理,氧化温度为300℃,为便于比较,氧化时间设定与球磨时间相同)。1.2通过封装来制造不锈钢包套、封装工艺由于粉末经过球磨处理后氧含量增加,在粉末表面形成了较厚一层氧化膜,导致致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍,难以形成冶金粘结,因此须要采用一些特殊的致密化工艺;另外,合金中硅含量较高,合金粉末内含有大量的初晶硅相,材料的塑性较差,同时由于Si相颗粒硬度高,加剧了模具的磨损,故一般采用塑性较好的材料(如纯铝)做包套封装。将球磨后的合金粉末装入特制的纯铝包套内,振实后其密度可达理论密度的70%,封闭焊合包套(包套盖板上留有一小孔,以便挤压时包套内气体的排出)。挤压前对样品采用520℃加热保温,保温时间为1h,挤压比为21.3(挤压筒直径为60mm,挤压后直径为13mm)。1.3材料密度和热扩散率采用EOPHAT金相显微镜及JEM-3010型透射电子显微镜对材料进行显微组织观察,透射电镜试样经机械减薄到0.1mm左右,冲成直径为3mm的圆片,再进行离子减薄穿孔;采用排水法测量材料密度,所用分析天平最小精度为0.1mg;在日产HELIOT306S型He吸附试验机上进行气密性测试;在JR—2热物性测试仪上进行热扩散率测试;在日本理学差热分析仪上进行了热膨胀系数测试。2对试验结果的分析与讨论2.1粉末高能球磨前后的晶粒的变化图1为粉末经高温空气氧化和球磨后所挤压材料的金相照片,从图1中可以看出,与高温空气氧化相比,粉末高能球磨后,所制备材料的晶粒更加细小,特别是硅粒子已明显细化,在相同放大倍数下,图1a中硅粒子清晰可辨,而图1b中无法识别硅粒子。材料组织更均匀(减小了硅的偏聚)、更致密,空隙度减少,基体联通更好,这对于材料气密性、导热性能和加工成形性能都相当有利。2.2密度对材料的致密度粉末经不同时间球磨后所制备材料的密度与气密性实测值如表2所示。根据计算Al-30Si(实际硅含量24.46%)材料的理论密度为2.60g/cm3,从表2所列材料实际密度可以看出,材料密度非常接近于理论密度,其致密度在99%左右。首先,可以认为材料是相当致密的,这从图2材料的金相组织也可以看出,但由于受材料加工手段的局限,实际上材料致密度不可能达到100%,这主要是由于在计算理论密度时忽略了粉末氧化对材料实际成分的影响,从而对理论密度的计算存在一定的误差。另外,从表2中可以看出,粉末经球磨后挤压成形的材料气密性很好,其值均在lnPa·m3·s-1以下,完全能满足电子封装材料对气密性的要求,这主要是以下两方面的原因:首先,随着球磨时间延长,粉末粒度变小,粉末在高能球磨过程中,反复的冷焊和破碎,使复合颗粒内部组织不断精细化,同时发生固相反应扩散,使铝基体和增强颗粒界面结合力更强;另一方面,粉末在球磨过程中,氧化程度的增加,细小弥散的氧化物数量增多,也可填充材料内部微孔,降低材料内部孔隙率,从而提高材料气密性。2.3球磨后材料的热膨胀性能合金粉末经不同时间球磨后,材料在100,250,400℃所测热膨胀系数如表3所示。从表3中数据可以看出,总体上说,材料的热膨胀系数较低,且随粉末球磨时间延长,开始下降的幅度较大,当球磨时间超过16h后,再延长球磨时间对材料的热膨胀系数影响甚微;当球磨时间超过24h后,材料膨胀系数小于13μK-1,可满足电子封装材料壳体与盖板的要求。热膨胀性是铝硅合金电子封装材料一个非常重要的物理性能。纯Al的热膨胀系数高达23.6μK-1,而纯Si的仅为3.5μK-1,A12O3的为6.5μK-1,SiO2的为0.4μK-1。因此,高硅铝合金材料的低热膨胀性主要与Si相的影响有关,同时也受合金粉末氧化程度的影响。增强相或弥散相的体积分数、尺寸大小、形状分布、基体材料的强度与塑性、相间的界面性质、结合强度、材料致密度以及材料内部的残余应力,都会或多或少影响到材料热膨胀系数。Al-Si合金粉末经球磨处理后挤压成材,其热膨胀性能仍然主要取决于Si相的体积分数,Si粒子的大小及在材料中的分布。增强相越多,增强颗粒越细,在材料中分布越均匀,对基体受热膨胀的阻碍作用则越大,从而使材料的热膨胀性能提高。但材料致密度增加,残留空隙率降低,会使材料热膨胀系数升高。这是由于孔隙在受热时没有膨胀,可以看成膨胀为零的刚性第三相。从前面材料的金相组织及致密度分析可知,粉末经球磨后材料更致密,组织更均匀,这对材料的热膨胀性能产生不利影响,但从表3结果显示其热膨胀系数却普遍比高温空气氧化后所制备材料低,这主要归因于氧化颗粒对材料热膨胀性能的影响。因为无论是A12O3还是SiO2,其受热膨胀都是很小的,并且是均匀弥散分布在材料内部,这必将阻碍基体的热膨胀,从而使材料的热膨胀系数减小。另外,材料中低膨胀氧化物数量的增加,本身就可降低材料的热膨胀系数。2.4球磨后经热挤压粉末经不同时间球磨后所制备材料的热导率如表4所示,从表4中可以看出,在相同球料比的情况下,随着粉末球磨时间延长材料热导率增加,球磨时间在8～24h范围内变化时,材料热导率增加速度较大,球磨24h后,材料热导率为142W·m-1·K-1,但继续延长球磨时间,材料热导率增加速度降低,球磨32h后,材料热导率为145.5W·m-1·K-1。一方面,高能球磨使合金氧化程度增加,氧化物本身的热导率是很小的,粉末球磨氧化后经热挤压,相当于增强颗粒分布于复合材料中,应该降低复合材料热导率。但另一方面,高能球磨使Al-Si合金粉末细化,同时使合金粉末内部储藏大量的能量,促进Al相的流动和Si相的重排过程,使Al-Si粉末颗粒更好的粘合,减少材料内部大量存在的气孔、缺陷等造成的孔隙。而这些孔隙的热导率很低,对声子的散射严重,从而对材料导热性能产生不利的影响。因此,降低材料孔隙率必然会提高材料导热性能。其次是粉末的细化,不仅使材料致密度提高,而且会使Si相颗粒细小,且分布均匀,界面结合得到改善。图2为Al-30Si粉末球磨24h后挤压材料的透射电镜照片,从此照片中可看出,挤压材料中硅相与氧化物质点分布较为均匀,从图2b中可看出,界面结合良好,界面热阻大大降低。随着球磨时间延长,材料热导率增加。总的看来,由于合金粉末的氧化物质量分数有限,而高能球磨过程可加速材料内部的固态扩散和反应,改善相界面的结合状态,使材料更加均匀致密,同时明显细化材料中第二相(Si)颗粒,使基体之间得到更好的联通,有利于提高材料热导率。采用球料比10:1,粉末球磨24h后,随着球磨时间延长,粉末颗粒的冷焊与破碎将达到平衡,相应的粉末粒度减小到一定程度后将不再降低,进一步延长球磨时间对热挤压后材料的组织影响大大减小。但研磨过程的机械能仍不断地传递到粉末颗粒中,促进原子的扩散,改善界面的结合状况,降低界面对传热声子或电子的阻碍作用,从而提高材料的热导率,但其提高幅度明显减小。3球磨时间对材料热导率的影响(1)与高温空气氧化相比,粉末高能球磨后,所制备材料的晶粒更加细小,特别是硅粒子已明显细化,材料组织更均匀、更致密。(2)粉末球磨后所制备材料密度非常接近于理论密度,其致密度在99%左右;材料气密性很好,其值均在1nPa·m3·s-1以下,完全能满足电子封装材料对气密性的要求。(3)材料热膨胀系数随粉末球磨时间延长而下降,但开始下降幅度较大,当球磨时间超过16h后,再延长球磨时间对材料的热膨胀系数影响甚微;当球磨时间超