顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)關(guān)聯(lián)研究.pdf

1、隨著微電子、光電子設(shè)備的集成化和小型化，芯片級(jí)的熱功率密度急劇增加，因而如何使電子器件及時(shí)而有效地散熱，成為新型封裝材料迫切需要解決的問(wèn)題。作為新型封裝用的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，雖然具有復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，但為保證與半導(dǎo)體器件更接近的熱匹配性，需要引入較高含量的顆粒，而顆粒與基體相容性差，需在較高溫度條件下進(jìn)行制備，這樣在復(fù)合材料中將會(huì)形成非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，這給復(fù)合材料宏觀性能的調(diào)控設(shè)計(jì)及可預(yù)測(cè)性帶來(lái)了很大的難度。因此，對(duì)復(fù)合材料

2、進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，并揭示其微觀結(jié)構(gòu)與其等效性能之間的關(guān)系是研究的重要課題。為此，本文以SiCp/Al復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)、有限元模擬及理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)影響復(fù)合材料熱傳導(dǎo)的典型微結(jié)構(gòu)(組分、界面相、孔隙)的調(diào)控、微結(jié)構(gòu)與熱導(dǎo)率的宏微觀關(guān)聯(lián)和導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)系統(tǒng)研究了復(fù)合組分(基體本征熱導(dǎo)、顆粒本征熱導(dǎo)、顆粒與基體所形成的相對(duì)結(jié)構(gòu))的調(diào)控、表征及熱導(dǎo)率隨

3、它們的變化規(guī)律。研究表明：a)采用陶模無(wú)壓滲透法制備復(fù)合材料時(shí)，顆粒含量調(diào)節(jié)范圍較小，單一粒徑在48％-52%、雙粒徑在50%-63%的范圍；而采用預(yù)制坯體無(wú)壓滲透制備可通過(guò)調(diào)節(jié)造孔劑含量，達(dá)到體積分?jǐn)?shù)在35%-62%的范圍變化。b)采用彌散度和拓?fù)浞椒ㄝ^好地表征了增強(qiáng)體在基體中彌散、互穿、互連的三種顯微結(jié)構(gòu)。c)當(dāng)基體中加入較高含量的顆粒時(shí)，電導(dǎo)率出現(xiàn)了明顯下降，且電阻率隨節(jié)點(diǎn)的變化而變得雜亂無(wú)規(guī)律，但熱導(dǎo)率值變化不大，且復(fù)合材料熱導(dǎo)

4、率隨基體本征熱導(dǎo)或顆粒本征熱導(dǎo)的變化不再呈線(xiàn)性變化；當(dāng)顆粒含量較高時(shí)，顆粒在基體中的相對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響不明顯，但當(dāng)顆粒與基體形成網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)時(shí)，能較顯著地提高抗彎強(qiáng)度和降低熱膨脹系數(shù)。
　　(2)系統(tǒng)研究了復(fù)合界面相(界面相結(jié)合、種類(lèi)、厚度和分布比例)的調(diào)控、表征及熱導(dǎo)率隨它們的變化規(guī)律。研究表明：a)當(dāng)基體中添加Mg、Si或提高滲透溫度時(shí)，可以改善Al/SiC體系的潤(rùn)濕結(jié)合；顆粒表面鍍鎳、預(yù)氧化處理或在基體中添加Si時(shí)能有效

5、抑制有害界面產(chǎn)物A14C3的形成。b)采用顆?；瘜W(xué)萃取和場(chǎng)發(fā)射掃描相結(jié)合的方法能較好地表征界面相的形狀、分布及大小，在無(wú)壓滲透法制備過(guò)程中，除鍍層外其界面反應(yīng)相基本呈不連續(xù)分布。c)當(dāng)界面相與基體、顆粒結(jié)合不好時(shí)，其對(duì)熱導(dǎo)的阻礙作用相當(dāng)于包覆了不同厚度的空氣薄層，空氣薄層約20nm時(shí)，界面相層幾乎轉(zhuǎn)變成為絕熱層；當(dāng)界面相改善結(jié)合且呈連續(xù)分布時(shí)，即充當(dāng)界面層的作用，當(dāng)所包覆的界面層熱導(dǎo)率過(guò)低時(shí)，即使大幅度提高顆粒的熱導(dǎo)，也難以發(fā)揮顆粒的高

6、導(dǎo)熱性能；當(dāng)界面相呈不連續(xù)分布時(shí)，無(wú)論界面相本征熱導(dǎo)率高或低，對(duì)復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率影響都較小，其對(duì)熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)主要為發(fā)生了輕微界面反應(yīng)而改善了界面結(jié)合，并借助彈塑性力學(xué)方法、潤(rùn)濕角測(cè)定及第一性原理計(jì)算對(duì)界面應(yīng)力及黏著功進(jìn)行了定量表征，進(jìn)一步解釋了發(fā)生輕微反應(yīng)界面相呈不連續(xù)分布時(shí)其對(duì)熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)，并總結(jié)了改善界面相結(jié)合的具有途徑。
　　(3)較深入研究了含界面相復(fù)合材料界面熱導(dǎo)的表征及界面相對(duì)界面熱導(dǎo)的影響。針對(duì)含界面相的兩種不同結(jié)合界

7、面，提出了其界面熱導(dǎo)的表征計(jì)算方法；采用材料模擬及飛秒激光抽運(yùn)探測(cè)、掃描熱顯微鏡、激光導(dǎo)熱儀及熱阻測(cè)試儀等測(cè)試手段實(shí)驗(yàn)測(cè)得了界面相不同種類(lèi)、不同結(jié)合、不同分布時(shí)和不含界面相時(shí)的界面熱導(dǎo)值。研究表明：a)界面熱導(dǎo)值對(duì)界面相結(jié)合條件非常敏感，其調(diào)控的數(shù)量級(jí)跨度大(103～108)，當(dāng)固定有效界面長(zhǎng)度為2μm時(shí)，界面的等效熱導(dǎo)率可在0.002～200W/m.K范圍內(nèi)變化，其數(shù)量級(jí)跨度為5，幾乎與材料整體熱導(dǎo)率的調(diào)控?cái)?shù)量級(jí)(6以?xún)?nèi))相當(dāng)，這反映

8、了界面熱導(dǎo)的可調(diào)控空間大。b)當(dāng)界面相改善界面結(jié)合且呈連續(xù)分布時(shí)，界面熱導(dǎo)受界面相本身熱導(dǎo)影響較大，當(dāng)所含界面相本身熱導(dǎo)較高時(shí)，其界面熱導(dǎo)數(shù)量級(jí)為108，幾乎與不含界面相且界面結(jié)合良好時(shí)的數(shù)量級(jí)相當(dāng)，反之，則界面熱導(dǎo)出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)界面相呈不連續(xù)分布時(shí)，界面熱導(dǎo)的數(shù)量級(jí)相差較小(106～107)。c)當(dāng)界面相不利于界面結(jié)合時(shí)，界面熱導(dǎo)較低，其數(shù)量級(jí)范圍為103～105。
　　(4)系統(tǒng)研究了復(fù)合孔隙(孔隙率、孔徑大小和孔隙形狀)的

9、調(diào)控、表征及熱導(dǎo)率隨它們的變化規(guī)律。研究表明：a)采用陶模、預(yù)制件無(wú)壓滲透兩種方式制備復(fù)合材料時(shí)，改變其滲透溫度與時(shí)間，可以調(diào)節(jié)孔隙率(0.7%～9.4%)和平均孔徑的大小(21.4～49.7μm)，其中，通過(guò)預(yù)制件方式調(diào)節(jié)的孔隙和孔徑分布更均勻，且可改變此方式中造孔劑的種類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)更大尺徑范圍(46.5～96.2μm)孔隙及孔的形狀的調(diào)節(jié)。b)通過(guò)超聲顯微檢測(cè)及顯微圖像分析相結(jié)合的方法，可以較好地表征孔隙參數(shù)。c)復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨孔

10、隙率的增加下降較明顯，而受孔徑大小和孔形狀的影響較小；模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因孔隙的存在，其熱流繞流現(xiàn)象明顯，且在孔隙與材料交界的上下側(cè)有“熱壅塞效應(yīng)”，出現(xiàn)了局部熱流密度峰值，且當(dāng)孔隙較多并分布密集或孔隙的形狀較不規(guī)則(如含尖角)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)與傳熱方向相反的熱通量，這對(duì)材料的熱導(dǎo)率影響較大；當(dāng)孔隙率大于2%時(shí)，熱導(dǎo)率模擬值比Maxwell、MEMA模型計(jì)算值更接近于實(shí)驗(yàn)值。
　　(5)較深入研究了綜合各微結(jié)構(gòu)要素的復(fù)合材料導(dǎo)熱修正模型