高硅鋁合金電子封裝材料制備與組織分析

高硅鋁合金電子封裝材料制備與組織分析

作為一種電子密封材料，高硅鋁的密度僅為傳統(tǒng)金屬基礎(chǔ)w-cu電子密封材料的1.6。高硅鋁具有良好的導熱性，線膨脹系數(shù)可控，適合高板廣泛使用的半發(fā)性材料。因此，作為一種通用的襯底、外殼、鋼板等材料，它可以確保電子器在使用過程中不受熱損傷，早期失效。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、噴射沉積法和溶滲法錠坯制備技術(shù),以及熱擠壓、半固態(tài)擠壓、熱鍛造等加工成形技術(shù),然而,采用這些方法所制備的材料,其熱導率、熱膨脹系數(shù)及抗拉強度難以同時滿足電子封裝材料的使用要求,因此,必須尋求新的途徑,制備出能完全滿足使用要求的材料。彌散強化金屬基復合材料由于微粒子阻礙金屬基體的位錯運動其基體被強化,典型材料為SAP,由于其強化相多為氧化物,故也叫ODS合金。美國GliddenMetals公司研究了Al2O3粒子分散強化Cu合金的技術(shù),其制備方法是:將Cu-Al合金用氣體霧化法霧化成粉末,然后對粉末進行內(nèi)氧化,使其內(nèi)部Al氧化成Al2O3粒子,再擠壓成制品,便得到了性能優(yōu)良的Al2O3彌散強化銅合金材料。為此,實驗采用高能球磨對Al-Si合金粉末進行氧化預處理,然后,結(jié)合包套擠壓,制備出Al2O3與SiO2增強的彌散強化型鋁硅復合材料。本文作者對Al-Si合金粉末球磨氧化機制進行探討,并對球磨時間對合金粉末粒度、形貌、氧含量及其所制備材料組織的影響進行研究。1實驗材料制備工藝流程如圖1所示。1.1雜質(zhì)雜質(zhì)信息實驗所用粉末名義成分為Al-30Si,粉末采用氮氣霧化水冷制得,Si,O和Al的質(zhì)量分數(shù)分別為24.46%,0.25%和75.00%,其余為雜質(zhì)。粉末中位徑、面積平均徑、體積平均徑分別為17.01,10.46和27.20μm。高能球磨設(shè)備采用自制專用球磨機,選擇直徑為10mm與5mm2種不銹鋼球進行搭配,它們的質(zhì)量配比為1?1,球料質(zhì)量比為10?1,分別采用8,16,24與32h4種球磨時間進行球磨(另有實驗采用了高溫空氣氧化對粉末進行預處理,氧化溫度為300℃,為便于比較,設(shè)定氧化時間與球磨時間相同)。1.2封閉合包套采用包套封裝方法,將球磨后的合金粉末裝入特制的純鋁包套內(nèi),振實后其密度可達理論密度的70%,封閉焊合包套(包套蓋板上留有一小孔,以便擠壓時包套內(nèi)氣體排出)。擠壓前對樣品采用520℃加熱保溫,保溫時間為1h,擠壓比為21.3(擠壓筒直徑為60mm,擠壓后樣品直徑為13mm)。1.3氧含量分析粉末粒度分布測試在Microplus激光衍射粒度分析儀上進行,其測量范圍為0.05~550μm;氧含量分析在TC-436氮/氧分析儀上進行,功率為5kW,分析時間為30s,氣流量為300mL/min;粉末形貌分析在JSM-5600LV掃描電鏡中進行,在NeophotoⅡ型金相顯微鏡下觀察材料組織。2分析與討論的結(jié)果2.1整體測定和微細說b圖2所示為球磨前后不同放大倍數(shù)粉末形貌的掃描電鏡(SEM)照片。圖2(a)和2(b)顯示,從整體上來看,粉末從原來的長條狀已轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉那驙??？紤]到粉末的后續(xù)加工成形性,為減少球磨過程對粉末所產(chǎn)生的污染,在球磨過程中沒有加入分散劑。因此,隨著球磨的進行,粉末表面能增加,粉末發(fā)生了團聚,但球磨效果仍非常明顯。2.2粉末細化作用的結(jié)果粉末經(jīng)不同時間球磨后所測粒度如圖3所示?？梢钥闯?粉末中位徑及體積平均徑隨著球磨時間延長而下降(細化),但面積平均徑隨球磨時間延長,在前16h呈下降趨勢,球磨16h后反而有所增加。這可能是由于粉末在球磨過程中形貌發(fā)生了變化,形成了一定的片狀顆粒;另外,由于在粉末球磨過程中沒有加入分散劑,粉末發(fā)生了明顯的團聚現(xiàn)象,所以,圖3只能反映粉末球磨粒徑的變化趨勢。結(jié)合圖2所示粉末形貌可知,粉末經(jīng)過24h球磨后,實際的粉末粒徑要小得多,部分粉末粒徑從3~5μm減小到0.1~0.2μm。從圖3還可以發(fā)現(xiàn),隨著球磨時間延長,粉末細化作用不斷減弱。這是因為當粉末細化到一定程度后,其粒徑變小,單位體積的表面自由能增加,若進一步細化,則所需的能量也越大。因此,細小顆粒比粗大顆粒更難進一步細化。2.3球磨時間的影響由于Al-Si合金粉末經(jīng)高能球磨后,從宏觀上并沒有改變合金成分和環(huán)境的氧分壓,因而,對氧化過程的熱力學影響不顯著,而粉末氧化過程要連續(xù)進行,首先是氧原子向反應界面前沿擴散,其次反應才進行。氧化推進速度受氧原子在合金內(nèi)擴散速度控制,動力學分析包括擴散分析和反應分析2部分,α(Al)基體為塑性較好的金屬,Si相為脆性顆粒,兩者在磨球的沖擊碰撞下反復破碎、焊合,使合金粉末晶粒不斷細化,與氧原子接觸面積增大,擴散距離不斷減小,使擴散速度增加。這里僅分析晶粒細化對擴散速度的影響。式中:vD為擴散速度;D為擴散系數(shù);δ為有效邊界層厚度;C和Ci分別為氧在粉末表面和反應界面上的濃度;A為反應接觸的比表面積。由式(1)可知,擴散速度與比表面積成正比,假定晶粒均為球形,則由球面面積公式可知,A∝r2。其中,r為晶粒粒徑。從圖2(c)和2(d)可知,球磨前、后粉末的平均粒徑比約為26,球磨后比表面積為原來的676倍,如果假定其他參數(shù)不變,實際擴散時接觸面積僅為計算值的1/20,則根據(jù)式(1),實際擴散速度為原來的34倍,實際粉末在球磨氧化過程中儲存了大量能量,可使某些微區(qū)溫度升高或使原子活性增加,有利于氧的擴散,若氧化反應僅受擴散控制,則可大大提高氧化進程,因此,高能球磨對粉末氧化動力學的影響要明顯得多。經(jīng)不同球磨時間球磨后所測粉末氧含量如圖4所示(為便于比較,圖中列出了相同時間內(nèi)高溫空氣氧化粉末的氧含量)。從圖4可以看出,在球料比相同時,隨著球磨時間延長,粉末氧含量增加,且與球磨時間接近于呈線性關(guān)系;與高溫空氣氧化粉末相比,在相同的氧化時間內(nèi),高能球磨工藝對粉末的氧化效果好得多,粉末氧含量大大提高。其原因是:球磨實際上是粉末顆粒在鋼球之間受到強烈撞擊、擠壓、破碎和彼此嚙合(冷焊)的過程。當粉末受到球的碰撞、擠壓時,一方面,球間中心線上的粉末產(chǎn)生強烈的塑性變形,使粉末表面積擴大,并且表面氧化膜脫落露出潔凈的“原子化”金屬表面,這些粉末的新鮮表面在壓力作用下相互冷焊在一起,形成了層間有一定結(jié)合力的復合顆粒。也就是這種反復破碎,使粉末不斷露出待氧化的新鮮表面進行氧化反應。另一方面,由于鋼球的反復碰撞擠壓,使粉末不斷經(jīng)受塑性變形而產(chǎn)生加工硬化,當加工硬化到一定程度后,又將導致粉末破裂。這種反復的冷焊和破碎過程,使復合顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷精細化,同時發(fā)生固相反應擴散和粉末氧化。因此,隨著球磨時間延長,粉末粒度越來越小,比表面積增加,表面能增加,與空氣中氧接觸的界面增多,粉末與氧發(fā)生反應的幾率增大。此外,隨著球磨時間延長,由于罐內(nèi)不斷產(chǎn)生的熱量使粉末溫度升高,促進了粉末與氧反應,加快了粉末氧化過程;隨著球磨時間延長,粉末晶體內(nèi)部缺陷增多,有利于氧在粉末內(nèi)擴散。2.4高能球磨前后的晶粒的變化圖5所示為粉末經(jīng)球磨與高溫空氣氧化后所擠壓材料的金相照片?？梢钥闯?與高溫空氣氧化相比,粉末經(jīng)高能球磨后,所制備材料的晶粒更加細小,特別是硅粒子已明顯細化,材料組織更均勻、更致密,空隙度減少,基體聯(lián)通更好,這都有利于提高材料氣密性、導熱性能和加工成形性能。2.5球磨時間的影響作為電子封裝材料用蓋板與殼體,熱導率是其最主要的性能指標之一。粉末經(jīng)球磨與高溫空氣氧化處理后所制備材料熱導率如表1所示?？梢钥闯?對于Si含量相同的材料,粉末經(jīng)球磨預處理后,所制備材料熱導率明顯高于經(jīng)相同時間處理的高溫空氣氧化預處理粉末的材料熱導率,在相同處理時間內(nèi),球磨后粉末比空氣氧化粉末的熱導率平均高10%,特別是粉末處理時間為16h時,球磨與空氣氧化處理相比,材料熱導率高20%。此外,隨著粉末球磨時間延長,材料熱導率增加,球磨時間在8~24h內(nèi)變化時,材料熱導率增加速度較大,球磨24h后,材料熱導率為142W·m-1·K-1,但繼續(xù)延長球磨時間,材料熱導率增加速度降低,球磨32h后,材料熱導率為145.5W·m-1·K-1。其原因是:一方面,高能球磨使合金氧化程度增加,氧化物本身的熱導率很小,粉末球磨氧化后經(jīng)熱擠壓,相當于增強顆粒分布于復合材料中,降低復合材料熱導率;但另一方面,高能球磨使Al-Si合金粉末細化,同時使合金粉末內(nèi)部儲藏大量能量,促進Al相流動和Si相重排過程,使Al-Si粉末顆粒更好地粘合,減少材料內(nèi)部大量存在的氣孔、缺陷等造成的孔隙。而這些孔隙的熱導率很低,對聲子的散射嚴重,從而對材料導熱性能產(chǎn)生不利影響。因此,降低材料孔隙率必然會提高材料導熱性能。其次是粉末的細化,不僅使材料致密度提高,而且會使Si相顆粒細小,且分布均勻,界面結(jié)合加強。圖6所示為Al-30Si粉末球磨24h后擠壓材料的透射電鏡照片,可以看出,擠壓材料中硅相與氧化物質(zhì)點分布較均勻。從圖6(b)可看出,界面結(jié)合良好,因此,界面熱阻大大降低?？梢?隨著球磨時間延長,材料熱導率增加?？偟膩碚f,由于合金粉末的氧化物含量有限,在高能球磨過程中,加速材料內(nèi)部的固態(tài)擴散和反應,改善相界面的結(jié)合狀態(tài),使材料更加均勻致密,同時明顯細化材料中第2相(Si)顆粒,使基體之間更好聯(lián)通,有利于提高材料熱導率。取球料比為10?1,粉末經(jīng)球磨24h后,隨著球磨時間延長,粉末顆粒的冷焊與破碎將達到平衡,相應的粉末粒徑減小到一定程度后將不再降低,進一步延長球磨時間對熱擠壓后材料的組織影響大大減小,但研磨過程的機械能仍不斷地傳遞到粉末顆粒中,促進原子擴散,改善界面結(jié)合狀況,降低界面對傳熱聲子或電子的阻礙作用,從而提高材料熱導率,但其提高幅度明顯減小。3球磨系統(tǒng)的ca.球料比為10?1時,Al-Si合金粉末經(jīng)24h球磨后,粉末粒度明顯減小,部分粉末粒徑從3~5μm減小到0