壓制模具溫度對(duì)粉末冶金成型鋁硅電子封裝材料組織和性能的影響

黃海濱 ，冀恩龍 ，于寶義 ，鄭 黎 ，李潤(rùn)霞 ，2

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870；2.東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523000）

高硅鋁合金作為電子封裝材料，其質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)金屬基W-Cu電子封裝材料的六分之一，且高硅鋁合金具有很好的熱導(dǎo)性能，線膨脹系數(shù)可控[1]，能與電路板廣泛使用的半導(dǎo)體材料相匹配。因此，作為基片襯底、機(jī)殼及蓋板等材料可保證電子器件在使用過(guò)程中不致受熱或開裂而過(guò)早失效。

目前，其主要制備方法[2,3]有噴射沉積法、粉末冶金法、加壓浸滲法、無(wú)壓浸滲法和真空加壓法。英國(guó)Osprey公司采用噴射沉積方法及后續(xù)加工處理制備Sip/Al合金的技術(shù)最為成熟，其生產(chǎn)的Sip/Al電子封裝材料內(nèi)部組織均勻、性能優(yōu)良，其中CE7、CE9合金由于與芯片熱膨脹系數(shù)的匹配度高，已被成功應(yīng)用于微波電路封裝及航空航天飛行器電子系統(tǒng)中[4]。但其存在著許多缺點(diǎn)，如很多關(guān)鍵的工藝參數(shù)如氣流速度、液流直徑、熔體溫度等難以控制，一般只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)把握。由于粉體噴射中的流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性及飛行方式造成陶瓷顆粒分布不均勻，只能通過(guò)改變噴霧參數(shù)和后續(xù)工藝減小或消除這種不均勻性，噴射成型的半成品孔隙度大約為5%，必須經(jīng)過(guò)二次加工，提高生產(chǎn)成本。楊培勇等[5]采用粉末冶金液相燒結(jié)工藝制備了 Si-50%Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù))電子封裝材料，認(rèn)為高壓壓制與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合的方法可以獲得熱導(dǎo)性能理想的復(fù)合材料。CHIEN等[6]采用加壓浸滲的方法制備出性能優(yōu)良的Sip/A1電子封裝材料，其熱膨脹系數(shù)為 6 ×10-6～8×10-6℃-1，熱導(dǎo)率大于120 W/（m·K），密度為2.4～2.59g/cm3。但該方法工藝復(fù)雜，成本較高。

由于Al的活性很高，所以在鋁顆粒表面會(huì)形成一層氧化膜，在燒結(jié)過(guò)程中元素的擴(kuò)散受阻，難以形成冶金粘結(jié)，導(dǎo)致合金致密度下降。因此，壓制合金坯錠時(shí)，采用粉末熱壓方式壓制坯錠[7]。在壓制坯錠的過(guò)程中，由于粉末中含有大量初晶硅，硅相顆粒的硬度高，加劇了模具的磨損，故在壓制過(guò)程中采用塑性較好的純鋁材料作為包套封裝[8，9]。

本文利用粉末冶金法制備了Si含量為60%的合金坯錠，并探索了合金熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、密度以及致密度隨模具溫度的變化規(guī)律，研究了不同模具溫度下合金的組織差別。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)材料為平均粒度為30μm的鋁粉和硅粉，成分為Al-60wt.%Si，具體如表1所示。將混合好的粉末裝入純鋁包套（尺寸為?70mm×70mm）中，輕微振實(shí)，預(yù)熱到 300℃，保溫20min，模具在 300℃、350℃、400℃、450℃保溫 1h，將粉末放入模具中，在500T四柱液壓機(jī)上進(jìn)行坯錠的壓制，壓制比壓為900MPa，使用石墨油對(duì)模具進(jìn)行潤(rùn)滑，壓坯形貌（?70mm×36mm）如圖1所示。將壓制好的坯錠放入真空燒結(jié)爐并抽真空至10-3Pa后，以5℃/min的升溫速度均勻升至900℃；在設(shè)定的燒結(jié)溫度下保溫2h，使元素粉末之間發(fā)生充分?jǐn)U散，生成均勻組織；保溫結(jié)束后，試樣在真空環(huán)境下隨爐冷卻。

采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察材料的微觀組織，試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光后，采用Kroll溶液進(jìn)行腐蝕；腐蝕液由HF、HNO3和H2O按照體積百分比1：3：7的比例配制而成，腐蝕時(shí)間10s。采用DXF-200型熱導(dǎo)儀測(cè)量其熱導(dǎo)率（試樣尺寸：?12.7mm×2mm）；使用精度為0.0001g的電子天平測(cè)量其密度并計(jì)算其致密度；采用Unitherna Dilatometer Systerm Series 1000熱膨脹儀測(cè)試材料的室溫～100℃、室溫～150℃的平均熱膨脹系數(shù)，升溫速率2℃/min。

表1 試驗(yàn)主要原料

圖1 壓坯形貌

2 結(jié)果分析及討論

2.1 顯微組織

如圖2所示為壓坯截面圖，可以看出，在高壓下對(duì)粉末進(jìn)行擠壓，壓坯較為致密，在模具溫度高于300℃時(shí)，粉末都能很好的成型。但需要對(duì)其進(jìn)行后期燒結(jié)處理，通過(guò)液相燒結(jié)中的顆粒重排，可以有效的促進(jìn)材料的進(jìn)一步致密化，提高材料的性能。

圖2 壓坯截面形貌

圖3 為經(jīng)真空燒結(jié)以后材料的顯微組織?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)真空燒結(jié)的合金，細(xì)小的Si顆?；鞠?，Si相尺寸相對(duì)于原始Si顆粒有了明顯的長(zhǎng)大，且形貌發(fā)生了鈍化，這是因?yàn)樵?00℃真空燒結(jié)，有助于促進(jìn)Si相在Al液相中的溶解-沉淀過(guò)程。材料內(nèi)部細(xì)小的Si顆粒、顆粒表面曲率大的部位因具有飽和溶解度而優(yōu)先在Al相中溶解。同時(shí)Al相中部分過(guò)飽和的Si原子在大顆粒的表面或具有負(fù)曲率的部位析出。故在高溫下，材料內(nèi)部Si顆粒尺寸增大，原有的細(xì)小Si顆粒大部分消失，顆粒形狀發(fā)生鈍化。如圖3a所示，當(dāng)模具溫度為300℃時(shí)，材料內(nèi)部硅顆粒發(fā)生比較嚴(yán)重的團(tuán)聚，硅相尺寸較大且存在著大量的細(xì)小孔隙；如圖3b所示，當(dāng)模具溫度為350℃時(shí)，Si顆粒形成連續(xù)骨架，而凝固的Al圍繞Si顆粒間隙呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布，材料內(nèi)部基本沒(méi)有孔洞；如圖3c所示，模具溫度達(dá)到400℃，Si相發(fā)生了一定的團(tuán)聚，Al相形成了連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但材料內(nèi)部出現(xiàn)一定數(shù)量的孔洞；如圖3d所示，當(dāng)模具溫度達(dá)到450℃后，硅顆粒團(tuán)聚非常嚴(yán)重，團(tuán)聚在一起的硅顆粒阻礙了Al液對(duì)顆粒之間間隙的填充，造成合金內(nèi)部大量孔隙的的形成，且孔洞尺寸增大，孔隙球化。

圖3 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的顯微組織

2.2 密度及致密度

致密度計(jì)算公式如下所示：

式中，ρ是材料的實(shí)測(cè)密度；ρth是材料的致密度；ρ1是材料的理論密度。

復(fù)合材料理論密度：

式中，ρ1是復(fù)合材料的理論密度；Vi是復(fù)合材料組分的體積分?jǐn)?shù)；ρSi為 2.34g/cm3；ρAl為 2.70g/cm3。表2列出了不同硅含量的Si/Al復(fù)合材料的理論密度，可以看出Si/Al復(fù)合材料的密度相對(duì)較低，因此，可以應(yīng)用在電子器件、航空零部件等領(lǐng)域。

由圖4可知，隨著模具溫度的升高，燒結(jié)體材料的密度和致密度都呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)。當(dāng)模具溫度達(dá)到350℃時(shí)，燒結(jié)體材料的致密度與密度均達(dá)到最大值，分別為98.8%與2.465g/cm3。模具溫度對(duì)材料致密度影響主要取決于其對(duì)顆粒塑性的影響，當(dāng)模具溫度較低時(shí)，顆粒塑性小，變形困難，顆粒接觸方式為點(diǎn)接觸，顆粒之間接觸不緊密，坯錠內(nèi)部留下大量的孔隙，導(dǎo)致燒結(jié)體材料內(nèi)部存在孔隙，影響材料的性能。而當(dāng)模具溫度達(dá)到350℃時(shí)，鋁顆粒塑性提高，在力和熱的作用下，發(fā)生大變形，顆粒之間接觸更緊密，材料的密度及致密度提高。隨著模具溫度的進(jìn)一步提高，在壓制坯錠的過(guò)程中，材料內(nèi)部Si顆粒相互依存粘結(jié)在一起，形成多孔集團(tuán)，而這樣的顆粒集團(tuán)，在燒結(jié)過(guò)程中無(wú)法通過(guò)顆粒重排而消除，且硅顆粒阻礙了液相燒結(jié)過(guò)程中鋁液對(duì)孔隙的填充，造成材料內(nèi)部存在大量的孔洞，影響材料的性能，模具溫度進(jìn)一步提高，這樣的顆粒集團(tuán)更多，材料性能下降。

表2 不同Si含量下Si-Al復(fù)合材料密度的理論計(jì)算值

圖4 不同模具溫度下合金的密度及致密度

硅鋁復(fù)合材料經(jīng)過(guò)熱壓成型加真空燒結(jié)后的致密化程度高，這主要是粉末具有不規(guī)則的顆粒形貌，粉末顆粒之間容易咬合，而模具溫度越高，粉末在熱和力的作用下發(fā)生變形越容易，相互間產(chǎn)生滑動(dòng)，靠摩擦使粉末表面的氧化膜破碎，從而使粉末顆粒之間的接觸更緊密，同時(shí)，顆粒表面的氧化膜破碎也極大的提升了燒結(jié)過(guò)程中液相對(duì)固相的潤(rùn)濕性，使得燒結(jié)體材料的致密度更高。

2.3 熱導(dǎo)率

電子封裝材料的熱導(dǎo)率是判斷封裝材料能否有效地消散芯片所產(chǎn)生熱量的主要指標(biāo)。由圖5可以看出，隨著模具溫度的升高，燒結(jié)體材料的熱導(dǎo)率呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)模具溫度達(dá)到350℃時(shí)，材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最大值115W/（m·K）。

圖5 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的熱導(dǎo)率

當(dāng)模具溫度較低時(shí)合金內(nèi)部鋁基體不能形成完整的連通網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)模具溫度過(guò)低，粉末成型困難，內(nèi)部留下大量孔隙。這些孔隙在燒結(jié)過(guò)程中不能消除，材料的熱導(dǎo)率值降低。而當(dāng)模具溫度達(dá)到350℃時(shí)，粉末在熱和力的作用下，相互接觸更加緊實(shí)，內(nèi)部孔隙減少，燒結(jié)體材料致密度提高，結(jié)合圖2的顯微組織，同時(shí)材料內(nèi)部鋁基體形成連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖6所示為Al-Si復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖，其中彌散均勻的Si顆粒形成連續(xù)骨架，而凝固Al圍繞Si顆粒間隙，呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布，連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于材料的導(dǎo)熱，材料的熱導(dǎo)率提高。當(dāng)模具溫度繼續(xù)升高，顆粒與顆粒之間相互咬合粘接在一起更容易，局部偏聚的硅顆粒相互粘接的幾率更大，相互粘接的硅顆粒內(nèi)部存在孔洞，而通過(guò)燒結(jié)過(guò)程中的顆粒重排很難消除這些孔洞，相互粘接在一起的硅顆粒也阻礙了液態(tài)鋁的流通通道，使得液態(tài)鋁不能填充進(jìn)這些間隙中，造成材料內(nèi)部大量孔洞的出現(xiàn)，孔洞的增加提高了材料的界面熱阻，這些孔洞中存在著空氣，空氣的熱導(dǎo)率很低，嚴(yán)重降低了材料的熱導(dǎo)率。

圖6 Al-Si復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]

2.4 熱膨脹系數(shù)

根據(jù)Turner[11]模型，可計(jì)算出Al-60wt.%Si合金熱膨脹系數(shù)理論值。

式中，α、V、K分別表示熱膨脹系數(shù)、第二相體積分?jǐn)?shù)和體彈性模量。

純鋁的熱膨脹系數(shù)高達(dá)23.6×10-6℃-1，而純硅的熱膨脹系數(shù)僅為（2.8～7.2）×10-6℃-1，由公式（3）可計(jì)算Al-60wt.%Si合金的理論熱膨脹系數(shù)為10.5×10-6℃-1，因此理論上高硅含量的鋁硅復(fù)合材料能夠滿足電子封裝對(duì)封裝材料熱膨脹性能的要求，熱膨脹性能是電子封裝材料非常重要的性能，而熱膨脹系數(shù)是評(píng)價(jià)熱膨脹性能的指標(biāo)之一，如圖7所示為材料在室溫～100℃、室溫～150℃下的平均熱膨脹系數(shù)。模具溫度為350℃時(shí)材料的熱膨脹系數(shù)達(dá)到最大值10.8×10-6℃-1，且最為接近其理論計(jì)算值。

圖7 不同模具溫度下Al-60wt.%復(fù)合材料的平均熱膨脹系數(shù)

燒結(jié)體中存在的孔隙由于在受熱時(shí)沒(méi)有膨脹，可以看成膨脹為零的剛性第三相，因此按照復(fù)合材料的加和規(guī)律，孔隙是會(huì)降低材料熱膨脹系數(shù)的，由于Al基體的彈性模量比Si小，這樣強(qiáng)度較大的Si顆粒對(duì)Al基體的膨脹起到很強(qiáng)的抑制作用，能有效的降低材料的熱膨脹系數(shù)。由圖7可以看出，模具溫度為300℃時(shí)，材料的熱膨脹系數(shù)較低，偏離理論值較大，這主要是由于材料內(nèi)部Al基體不能形成連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，同時(shí)材料內(nèi)部存在著大量尺寸較小的孔洞，孔洞的存在也會(huì)導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)降低；當(dāng)模具溫度為350℃時(shí)，Al基體以連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布，使材料的熱膨脹系數(shù)升高，同時(shí)內(nèi)部孔隙較少，材料的平均熱膨脹系數(shù)較大，故模具溫度為350℃時(shí)，材料的熱膨脹系數(shù)達(dá)到最大值，且該溫度下材料的熱膨脹系數(shù)最為接近其理論計(jì)算值。而當(dāng)模具溫度進(jìn)一步升高至400℃、450℃時(shí)，材料內(nèi)部孔洞增多且尺寸變大，降低了材料的熱膨脹系數(shù)，Al基體仍然以網(wǎng)絡(luò)狀分布，一定程度上提高了材料的熱膨脹系數(shù)，但此時(shí)，材料內(nèi)部的孔洞是影響材料熱膨脹系數(shù)的主要原因。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)模具溫度為350℃時(shí)，Si相能夠較為均勻的分布于鋁基體中，同時(shí)Al相形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙較少，而當(dāng)模具溫度繼續(xù)升高，材料內(nèi)部孔隙增多，尺寸變大，逐漸球化。

（2）對(duì)于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率隨模具溫度的變化而成先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)模具溫度為350℃時(shí)，燒結(jié)體材料熱導(dǎo)率達(dá)到最大值115 W/（m·K）。

（3）對(duì)于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)受材料內(nèi)部孔隙的影響較大。當(dāng)模具溫度為350℃時(shí)，燒結(jié)體材料平均熱膨脹系數(shù)達(dá)到最大值，分別為室溫～100℃的平均熱膨脹系數(shù)為10.3×10-6℃-1，室溫～150℃時(shí)的平均熱膨脹系數(shù)為10.8×10-6℃-1。

（4）對(duì)于成分為Al-60wt%Si的復(fù)合材料，燒結(jié)體合金的致密度隨模具溫度的提高而呈先上升后下降的趨勢(shì)。模具溫度達(dá)到350℃時(shí)，合金的致密度及密度達(dá)到最大值，分別為2.465g/cm3和98.8%。