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金刚石铝基复合材料的性能影响因素研究

文章来历:《热加工工艺》年7月第50卷第14期纲要:金刚石/铝复合材料具备高热导率、低密度以及低热膨胀系数等卓越的机能,成为电子封装畛域的协商要点。综述了影响金刚石/铝基复合材料热物理机能和力学机能的要素,并对其热导率及热膨胀系数的罕用理论筹划模子施行了商议。着末,对金刚石/铝复合材料的进展前程施行了预计。关键词:电子封装;金刚石/铝复合材料;热导率;热膨胀系数;强度0协商配景跟着机能雄壮?小巧便携挪动电子产品的快速进展,电子元器件的尺寸越来越小,电路集成度也越来越高?响应地,对电子封装材料的稳固性?靠得住性及散热机能等提议了更高的请求,因而,电子封装材料要适应半导体本领的进展须要,必要充足统筹其热导率?热膨胀系数?密度?强度及公道的封装工艺等多项参数请求[1]?保守的电子封装材料多采纳易于加工的合金材料,但是普遍环境下合金难以兼具归纳机能须要?如Invar合金和Kovar合金,其热膨胀系数低,但导热机能较差;而铜和铝等金属材料导热机能卓越,但热膨胀系数高,温度变动引发的热应力会引发电子元器件孕育脆性裂纹,下降元器件团体的靠得住性[2]?合金化能够灵验下降金属材料的热膨胀系数,且可兼具高热导率?卓越的高温机能等益处,如Cu-Mo和Cu-W合金,曾被精深运用于电力电子半导体行业?不过,该类材料制备成本高且密度大,加工和焊接机能较差,束缚了在航空电子装备中的进一步运用[3]?比拟而言,Al-Si复合材料具备轻质?高导热和低膨胀个性等较好的归纳物理机能,且可经历改动Al与Si比例调控材料的热膨胀系数?不过,对Al-Si复合材料导热机能的调控亦有限?金刚石具备很好的归纳热物理机能,其室温下的热导率为~W/(m·K),热膨胀系数为0.8×10-6/K[4]?依照混正当则,将金刚石颗粒参加Ag?Cu?Al等高导热金属基体中制备的金刚石/金属基复合材料,希望成为一种兼具低热膨胀系数和高热导率的新式电子封装材料[5]?虽然Ag和Cu热导率较高,但做为基体合金成本较高且密度较大,比拟而言,铝合金密度小(仅为2.7g/cm3)且成本低?新式金刚石颗粒巩固铝基复合材料希望兼具金刚石和铝合金的上风,即具备高导热?高强度?低密度和低热膨胀系数等卓越的归纳机能,现已成为新式材料的热门协商方位[6-7]?本文综述了金刚石粒径及体积分数?基体合金成份等要素对金刚石/铝复合材料机关和机能的影响,商议了界面连接和界面反映特点等要素对复合材料机能的影响及调控计划,离别先容了金刚石/铝复合材料热导率和热膨胀系数的罕用理论筹划模子?1金刚石颗粒粒径和体积分数金刚石/铝复合材估中金刚石颗粒的热导率远高于基体铝合金,其热膨胀系数远低于基体铝合金?因而理论上讲,在界面连接卓越的环境下,升高金刚石的体积分数,能够赢得高热导率的复合材料?譬喻,刘永正[8]采用粒径为μm的低成本平凡研磨级金刚石颗粒,采纳无压浸渗法制备了体积分数离别为25vol%?40vol%和55vol%的金刚石/铝复合材料,协商事实声明,跟着体积分数的增多,复合材料热导率由W/(m·K)抬高到W/(m·K)?但是,复合材料的制备工艺亦会影响材料宏观机关和导热机能?譬喻,陶鹏飞等[9]采纳真空热压烧结法协商不同体积分数(30%~55%)金刚石/铝复合材料的热导率?事实声明,当金刚石体积分数≤45vol%时,复合材料的热导率均跟着金刚石体积分数的增多而增大;当金刚石颗粒体积分数45vol%时,复合材料的热导率跟着金刚石体积分数的增多而下降?这是由于当金刚石体积分数较高时,硬质颗粒之间的“架桥效应”拦阻了粉末的压实精细化,下降了复合材料的相对密度和热导率?梁雪冰等[10]采纳放电等离子烧结法(SPS)在30MPa?℃的前提下胜利制备了颗粒体积分数为40vol%?50vol%?60vol%和65vol%的金刚石铝复合材料?事实声明:对于70μm的金刚石颗粒,当金刚石体积分数≤50vol%时,复合材料热导率均大于W/(m·K);而当体积分数50vol%时,复合材料热导率赶紧降落至W/(m·K)左右,复合材料的相对密度也从90%降至80%左右?时时而言,金刚石颗粒可经历压榨铝合金基体的塑性变形或晶界的调解变形来升高复合材料的形变抗力?硬质金刚石颗粒体积分数增多有助于升高复合材料的抗弯强度和弹性模量?当金刚石体积分数稳固时,金刚石粒径的增多,所引入的界面面积更少,可下降界面热阻,进而有益于晋升复合材料的热导率?相悖,减小金刚石颗粒尺寸可下降复合材料的热导率,但是,此时颗粒之间金属层的厚度削减,使得金刚石颗粒对基体的热变形管束效用巩固,有益于下降材料的热膨胀系数?譬喻,张洋等[11]采纳气体压力熔渗法制备了金刚石体积分数达65vol%的金刚石/铝复合材料?事实声明:跟着金刚石粒径从30μm增大到μm,复合材料的热导率也由W/(m·K)升高到W/(m·K),所得复合材料机关精细,金刚石与铝基体之间连接卓越;同时,复合材料的热膨胀系数略有增多,由4.5×10-6K-1飞腾至5.3×10-6K-1,但均显著低于铝基体的热膨胀系数?裴和君等[12]经历真空压力浸渗法协商了颗粒粒径对雷同体积分数(40vol%)金刚石/铝复合材料热膨胀系数的影响,获患有与上述雷同的变动规律?Tan等[13]首先将金刚石颗粒与纯铝粉在室温下冷压成型,而后经历真空热压烧结法(℃/2h)制备了金刚石体积分数为40vol%的金刚石/铝复合材料?事实声明:跟着金刚石颗粒由30μm增大到μm,复合材料的相对密度从98.6%逐步降落至97.1%,热导率由W/(m·K)升高至W/(m·K),增幅约52%;委曲强度由MPa下降至MPa,下降了约32%?因而可知,在体积分数稳固的环境下,大颗粒金刚石能升高金刚石/铝复合材料的热导率,但同时也增大了材料的热膨胀系数,并下降了材料的团体强度?金刚石颗粒巩固金属基复合材料的巩固机理相像于合金的弥漫巩固,具备高强度和高硬度的硬质颗粒能够经历拦阻位错活动升高复合材料的强度[14]?同时,金刚石颗粒粒径越小,表面活性越高,更易于与铝基体慎密连接,在受力经历中更轻易协同基体变形,使得复合材料的强度进一步晋升?譬喻,吴建华等[15]采用粒径离别为80~?~?~和~宗旨MBD-4型人工金刚石,采纳压力熔渗法制备了金刚石体积分数约60vol%的金刚石/铝复合材料,所得复合材料浸渗完全且精细度较高?机能测试事实声明,复合材料的抗拉?抗压以及抗弯强度均跟着金刚石粒径的减小而逐步增大?当粒径减小到~目时,金刚石/铝复合材料的抗拉?抗压以及抗弯强度离别为?和MPa?此时,由于小颗粒金刚石与基体间界面连接较强,断裂方法要紧为金刚石颗粒范畴基体的塑性断裂?1.1热导率的理论猜测模子与此同时,协商者们亦提议了可用于猜测金属基复合材料热导率的理论模子,要紧有Maxwell模子[16]?Hasselman-Johnson模子[17]以及微分灵验介质理论模子(differentialeffectivemedium,DEM)[18-19]?1.1.1Maxwell模子Maxwell理论模子是在不思考界面热阻?假使巩固体颗粒为球形的环境下,猜测巩固体与基体合金对复合材料热导率的影响?式中:λc?λm?λd离别为复合材料?基体和巩固体的热导率,W/(m·K);Vd为复合材估中颗粒所占的体积分数,vol%?Mizuuchi等[20-21]先将纯铝粉和Al-5%Si合金粉末按9∶1的比例混杂营为基体合金,此中,Al-Si合金粉末是为了使材料在SPS加工经历中孕育固液并存状况,而后采用μm的金刚石颗粒,经历放电等离子烧结法制备并测试了不同体积分数的金刚石/铝复合材料的热导率?事实声明,当颗粒体积分数为50vol%时,复合材料的热导率抵达W/(m·K)?同时,采用Maxwell模子猜测了巩固体在不同体积分数下该复合编制热导率的理论值,Maxwell模子筹划金刚石/Al复合材料的理论值[21]如图1所示?此中,70vol%?80vol%?90vol%?vol%的弧线对应理论热导率值的百分比?由图可知,复合材料热导率实测值抵达理论筹划值的95%,协商事实注明该法子制备的复合材料界面连接卓越?图1Maxwell模子筹划金刚石/Al复合材料的理论值[21]1.1.2Hasselman-Johnson(H-J)模子Hasselman-Johnson模子也称灵验介质类似法子(effectivemediaapproximation,简称EMA),在Maxwell理论的原形上,思考了颗粒粒径对复合材料热导率的影响,将Maxwell模子中颗粒体积分数参数转换成与颗粒体积分数和尺寸关系的函数,同时引入了界面热阻的影响?其详细方程式为:式中:λc?λm?λd离别为复合材料?基体和巩固体的热导率,W/(m·K);Vd为复合材估中颗粒所占的体积分数,vol%;a为颗粒的半径,μm;h为界面传热系数,W/(m2·K)?看来,当h=∞时,式(2)与Maxwell模子的表白式(1)一致?1.1.3DEM模子式中:Vi是相i在预制型中所占的体积分数;S是表征巩固相的若干参数,在这边假使为球形,S=1/3;V*d=-ln(1-Vd)?当基体中没有巩固体时,V*d=0?λeffd为巩固相的灵验热导率:设材料热导率的增大比例A=λc/λm,材料的灵验出入B=λd/λm,则DEM模子的表白式(3)转换成:界面传热系数h能够经历声子不般配模子赢得:式中:cp是基体的比热容,J/(kg·K);ρ1和ρ2离别为基体?巩固体的密度,kg/m3;ν1和ν2离别为基体?巩固体声子宣传速度,m/s?由于Maxwell模子只思考了巩固相体积分数对复合材料热导率的影响,因而,更多的协商者采纳H-J模子和DEM模子施行热导率理论筹划?譬喻,Chu等[22]采纳放电等离子烧结法制备金刚石/铝复合材料,经历实验测试与H-J模子猜测连接的法子协商了颗粒粒径对复合材料热导率和宏观机关的影响?由于H-J模子中颗粒设定为各向同性,而现实上金刚石颗粒各晶面的界面热阻并非统统雷同,因此Flaguer等对模子中界面热阻施行了改正[23],详细方程式如式(7)和式(8)所示,理论筹划事实声明,改正后的H-J模子能够较为确切地猜测热导率?式中:h和h离别指金刚石颗粒的{}和{}晶面族的固有界面传热系数,W/(m2·K)?其它,陈代刚等[24]离别采用H-J模子和DEM模子对镀钛金刚石/铝复合材料的热导率施行模仿筹划,由于在气相堆积法镀钛经历中钛与金刚石反映生成TiC,因而在筹划经历中粗心了金刚石表面微量的钛,将镀钛金刚石/铝复合材料的界面层分为金刚石-TiC?TiC和TiC-Al层3部份施行剖析,在上述式(2)~式(6)的原形上,界面传热系数用式(9)示意,式中dTiC为TiC镀层厚度,离别筹划了不同镀层厚度下金刚石/铝复合材料的界面传热系数与热导率,并与实验值比拟?事实显示,与H-J模子比拟,DEM模子筹划与实验值更为热诚,但由于DEM模子中的颗粒假使为球形,而理论金刚石颗粒为正十四周体,比拟球形颗粒存在更多的界面热阻?其它,界面传热系数的公式中未思考分散速度的影响,因此界面热阻的筹划值偏低,使得DEM猜测值略高于实验值?一样地,陶鹏飞[25]也采纳这两种模子对镀Si金刚石/铝复合材料的热导率值施行理论猜测,真空热压法制备的镀Si金刚石/铝复合材料热导率的实验值和模子筹划值[26]见图2?可看出,DEM理论模子能够很好的猜测金刚石/铝复合材料热导率?图2真空热压法制备的镀Si金刚石/铝复合材料热导率的实验值和模子筹划值[26]1.2热膨胀系数的理论猜测模子金属基复合材料热膨胀系数的理论猜测模子要紧有Eshelby模子[26]?Turner模子[27]以及Kerner模子[28]?1.2.1Eshelby模子此模子倘若巩固体与基体合金的热膨胀是各向同性的,因而又称为等效混合物模子,其筹划公式能够示意为:式中:S?N离别为Eshelby和基体合金的张量,示意份量之间线性瓜葛的多线性函数;C为刚度,N/m;Vp和Vm离别为巩固体和基体的体积分数,vol%;αc?αm和αp离别为复合材料?基体合金和巩固体的热膨胀系数,10-6·K-1?1.2.2Turner模子此模子倘若在衡量温度局限内,材料内部无内应力存在,且当温度产生改动时,复合材料材料内部的裂纹以及孔隙均不产生改动?此时,复合材料的热膨胀系数能够示意为:1.2.3Kerner模子这是颗粒巩固金属基复合材料热膨胀系数最罕用的理论筹划模子,它倘若巩固体为球体,巩固体外部为散布平匀的基体合金,而且材料内部各相之间同时存在着剪切力和等静压力,筹划公式能够示意为:式中:Vp和Vm离别为巩固体和基体的体积分数,vol%;αc?αm和αp离别为复合材料?基体合金和巩固体的热膨胀系数,10-6·K-1;Kp和Km离别为巩固体和基体合金的体积模量,GPa;Gm为基体合金的剪切模量,GPa?王新宇等[29]采纳气压浸渗法制备并测试了体积分数为65%的镀TiC金刚石/铝复合材料的热膨胀机能,同时采纳Turner和Kerner模子施行理论猜测,气压浸渗法制备的金刚石/铝复合材料的热膨胀系数的实验值与筹划值[30]如图3所示?能够看出,Kerner模子能很好地猜测复合材料的热膨胀系数,囊括含镀层的金刚石/铝复合材料?而Turner模子猜测值则远低于实测值,不能用来猜测复合材料的热膨胀系数,这是由于该模子仅思考材料构成相中的等静压力,粗心了材料内应力等其余繁杂要素的影响?图3气压浸渗法制备的金刚石/铝复合材料的热膨胀系数的实验值与筹划值[30]2基体合金化学成份普遍环境下,金刚石/铝基复合材料制备经历中常采纳铝合金做为基体而非纯铝,这是由于合金元素能够在必要水平上改革金刚石和基体间的界面连接,压榨界面反映,进而优化制备工艺里程或晋升复合材料的机能?譬喻,刘永正等[6]协商了无压浸渗法制备的金刚石/铝基复合材料,经历向基体合金中参加Si元素,Si在界面处的富集压榨了大概产生的界面反映,所得复合材料的界面为物理连接型界面,下降了界面热阻,复合材料的热导率抵达W/(m·K),线膨胀系数为4.37×10-6/K?Guo等[30]采纳压力浸渗法协商不同Si含量对金刚石/铝基复合材料热导率和热膨胀系数的影响?事实声明,当Si含量为12.2%时,复合材料的热导率最高为W/(m·K),这是由于界面处孕育的SiC优化了颗粒与基体间的界面连接?除此除外,Si的引入还压榨了界面反映,削减了界面产品Al4C3的孕育?当Si含量为40%时,复合材料的热膨胀系数平匀值为4.5×10-6K-1,但由于Si在界面处的富集致使复合材料的热导率下降至W/(m·K)?冯达等[31]在采纳真空热压榨备金刚石/铝基复合材料时发掘,基体中增加Si元素能够下降烧结温度,削减颗粒表面氧化铝膜层厚度,材料在较低温度下便能烧结精细?3界面特点复合材估中金刚石和基体合金界面处的微区机关特点对复合材料的热物理机能和力学机能起主宰效用,界面传热更是调控复合材料热导率的决计性要素[32]?因而可知,深入知道复合材料界面连接机制和界面反映特点等,有益于进一步改革界面状况?赢得归纳机能愈加卓越的金刚石/铝复合材料?3.1筛选性粘附已有实验阐明,金刚石颗粒与铝基体之间的潮湿性很差,普遍环境下界面连接较弱?在金刚石-纯铝编制中,铝基体只筛选性粘附在金刚石的{}晶面上,而难以与金刚石的{}晶面连接[33-34],图4为40vol%的金刚石/铝复合材料的界面宏观机关[35]?这会使得复合材料的界面处孕育裂纹和孔隙,增多界面热阻,下降复合材料的力学机能和热导率?图vol%的金刚石/铝复合材料的界面宏观机关[35](a)(b)火花等离子体烧结(c)(d)真空热压3.2界面反映及压榨法子金刚石/铝复合材料制备经历中,除了颗粒与铝的筛选性粘附外,颗粒的{}晶面族易与铝基体产生界面反映生成Al4C3?不过,协商者们对于界面产品Al4C3对复合材料机能的影响观点不一?一方面,有协商声明,未涂覆的金刚石在高温前提下易与熔铝产生激烈界面反映,界面产品Al4C3品质分数高达10wt%~30wt%[13,36],Al4C3在湿润处境中极易水解(详细反映方程式见式(13)[37-38])而引发原位孔洞,下降材料的力学机能和热导率?Al4C3+6H2O+3O2=4Al(OH)3+3C(l)(13)另一方面,Ruch等[33]则觉得Al4C3的孕育在巩固界面连接方面是有益的?有学者指出,复合材料在受力变形时,界面产品Al4C3可起到调解变形的效用,进而升高复合材料的抗拉强度[16]?同时,喻蒙等[39]采纳Al-Si-Mg合金做为基体合金制备金刚石/铝复合材料,事实发掘Al4C3不过随机?偶然孕育于金刚石的()面,虽然含量较低,其存在能够完成金刚石颗粒与基体间的较强连接?但是,在热轮回和走漏于湿润处境中,这种复合材料因存在水解反映而下降材料的热导率?因而,协商者多采纳金刚石表面金属化解决来改革金刚石与铝基体的界面连接,压榨界面产品的孕育?譬喻,在金刚石表面镀Ti?W和Si等元素或TiC等物资等?譬喻,沈晓宇等[40]采纳真空微挥发工艺对金刚石颗粒施行表面镀Ti解决,按金刚石与铝粉体积比3∶2的比例采纳放电等离子烧结制备复合材料,事实声明,离别采纳未解决和镀Ti解决的金刚石制备的复合材料,其热导率离别为.3W/(m·K)和.3W/(m·K)?经镀Ti解决的金刚石/铝复合材料断裂方法体现为穿晶断裂,界面连接状况由从来的死板物理连接变成了化学冶金连接,也即镀Ti解决晋升了金刚石和铝基体间的界面连接强度?其它,Yang等[41]经历气相堆积法在金刚石颗粒表面施行镀钛解决,镀覆经历中钛与金刚石反映,使得金刚石颗粒表面由内向外次序孕育TiC层和TiO2层,该解决法子亦巩固了金刚石与基体间的界面连接,复合材料的断裂机制要紧为颗粒范畴铝基体的韧性断裂,响应的热膨胀系数较低,在5.07×10-6~9.29×10-6K-1之间?王新宇等[42]经历气相堆积法在金刚石颗粒表面镀覆了厚度为2μm的TiC层,并采纳气压浸渗法制备了体积分数65vol%的金刚石/铝复合材料?事实声明,TiC层消除了金刚石表面的筛选性粘附景象,而且由于在复合材料制备经历中,装备中残存少数氧气,TiC与氧气之间具备更高的反映活性,因而在浸渗以前,金刚石颗粒表面物相除了TiC除外还存在部份氧化生成的TiO2,TiO2的孕育有益于在界面反映中生成Al2O3,如式(14)和(15)所示,这很好地改革了金刚石颗粒与铝合金基体之间的界面连接,灵验下降了复合材料的热膨胀系数?TiC+2O2=TiO2+CO2(14)3TiO2+4Al=2Al2O3+3Ti(15)代晨[43]经历磁控溅射法在金刚石颗粒表面镀W,协商了镀层及不同镀层厚度对金刚石/铝基复合材料热导率及委曲强度的影响,协商事实显示,镀W金刚石/铝复合材料界面连接卓越,原形无筛选性粘附景象?当W镀层厚度为nm时,复合材料的热导率最高,为W/(m·K),委曲强度也最高,为MPa,比拟无镀层的金刚石/铝复合材料,离别升高了11.87%和24.08%,而且在经历次凹凸温轮回后,镀W金刚石/铝复合材料机能依然很稳固,而无镀层的金刚石/铝复合材料热导率却下降了17.27%,委曲强度降落了26.53%?Tan等[44]采纳溶胶-凝胶法在金刚石颗粒表面镀W,协商声明,nm厚的镀层对界面连接的改革以及下降界面热阻最有益,当金刚石体积分数为50vol%时,采纳真空热压法制备的镀W金刚石/铝复合材料的热导率抵达了W/(m·K),较无镀层的复合材料热导率升高了21%?陶鹏飞[25]采纳高温盐浴法对金刚石表面施行镀Si解决,Si镀层厚度约为nm,在金刚石体积分数雷同的环境下,采纳挤压锻造法制备的复合材料的热导率抵达W/(m·K),约为未镀Si复合材料的两倍?4结语金刚石/铝复合材料具备低密度?高热导率以及低热膨胀等卓越的机能,在电子封装畛域有广漠的运用前程,遭到了国表里学者的精深


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