顆粒增強鋁基復合材料微結(jié)構(gòu)與熱傳導關聯(lián)研究.pdf

1、隨著微電子、光電子設備的集成化和小型化，芯片級的熱功率密度急劇增加，因而如何使電子器件及時而有效地散熱，成為新型封裝材料迫切需要解決的問題。作為新型封裝用的顆粒增強鋁基復合材料，雖然具有復合材料可設計性的優(yōu)點，但為保證與半導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行制備，這樣在復合材料中將會形成非常復雜的微觀結(jié)構(gòu)，這給復合材料宏觀性能的調(diào)控設計及可預測性帶來了很大的難度。因此，對復合材料

2、進行微觀結(jié)構(gòu)的合理設計，并揭示其微觀結(jié)構(gòu)與其等效性能之間的關系是研究的重要課題。為此，本文以SiCp/Al復合材料為研究對象，采用實驗、有限元模擬及理論分析相結(jié)合的方法，對影響復合材料熱傳導的典型微結(jié)構(gòu)(組分、界面相、孔隙)的調(diào)控、微結(jié)構(gòu)與熱導率的宏微觀關聯(lián)和導熱預測模型等問題進行了系統(tǒng)深入的研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)系統(tǒng)研究了復合組分(基體本征熱導、顆粒本征熱導、顆粒與基體所形成的相對結(jié)構(gòu))的調(diào)控、表征及熱導率隨

3、它們的變化規(guī)律。研究表明：a)采用陶模無壓滲透法制備復合材料時，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；而采用預制坯體無壓滲透制備可通過調(diào)節(jié)造孔劑含量，達到體積分數(shù)在35%-62%的范圍變化。b)采用彌散度和拓撲方法較好地表征了增強體在基體中彌散、互穿、互連的三種顯微結(jié)構(gòu)。c)當基體中加入較高含量的顆粒時，電導率出現(xiàn)了明顯下降，且電阻率隨節(jié)點的變化而變得雜亂無規(guī)律，但熱導率值變化不大，且復合材料熱導

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

5、抑制有害界面產(chǎn)物A14C3的形成。b)采用顆粒化學萃取和場發(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，在無壓滲透法制備過程中，除鍍層外其界面反應相基本呈不連續(xù)分布。c)當界面相與基體、顆粒結(jié)合不好時，其對熱導的阻礙作用相當于包覆了不同厚度的空氣薄層，空氣薄層約20nm時，界面相層幾乎轉(zhuǎn)變成為絕熱層；當界面相改善結(jié)合且呈連續(xù)分布時，即充當界面層的作用，當所包覆的界面層熱導率過低時，即使大幅度提高顆粒的熱導，也難以發(fā)揮顆粒的高

6、導熱性能；當界面相呈不連續(xù)分布時，無論界面相本征熱導率高或低，對復合材料整體熱導率影響都較小，其對熱導的貢獻主要為發(fā)生了輕微界面反應而改善了界面結(jié)合，并借助彈塑性力學方法、潤濕角測定及第一性原理計算對界面應力及黏著功進行了定量表征，進一步解釋了發(fā)生輕微反應界面相呈不連續(xù)分布時其對熱導的貢獻，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合材料界面熱導的表征及界面相對界面熱導的影響。針對含界面相的兩種不同結(jié)合界

7、面，提出了其界面熱導的表征計算方法；采用材料模擬及飛秒激光抽運探測、掃描熱顯微鏡、激光導熱儀及熱阻測試儀等測試手段實驗測得了界面相不同種類、不同結(jié)合、不同分布時和不含界面相時的界面熱導值。研究表明：a)界面熱導值對界面相結(jié)合條件非常敏感，其調(diào)控的數(shù)量級跨度大(103～108)，當固定有效界面長度為2μm時，界面的等效熱導率可在0.002～200W/m.K范圍內(nèi)變化，其數(shù)量級跨度為5，幾乎與材料整體熱導率的調(diào)控數(shù)量級(6以內(nèi))相當，這反映

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

9、調(diào)控、表征及熱導率隨它們的變化規(guī)律。研究表明：a)采用陶模、預制件無壓滲透兩種方式制備復合材料時，改變其滲透溫度與時間，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，通過預制件方式調(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，從而實現(xiàn)更大尺徑范圍(46.5～96.2μm)孔隙及孔的形狀的調(diào)節(jié)。b)通過超聲顯微檢測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)復合材料熱導率隨孔

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”，出現(xiàn)了局部熱流密度峰值，且當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，將會出現(xiàn)與傳熱方向相反的熱通量，這對材料的熱導率影響較大；當孔隙率大于2%時，熱導率模擬值比Maxwell、MEMA模型計算值更接近于實驗值。
　　(5)較深入研究了綜合各微結(jié)構(gòu)要素的復合材料導熱修正模型