梯度SiCP/Al復合材料的組織與性能

晏 萌,劉君武,江道傳

(合肥工業大學 材料科學與工程學院,合肥 230009)

不同體積分數的SiCP/Al復合材料各自有著不同的優點，但是不能集中于一體，于是就有一種初步設想，將幾種材料復合在一起，使用一種共同基體，從而使其各個方面的性能均滿足電子封裝材料的要求[1]。SiCP/Al復合材料用作封裝材料時不僅機械加工困難，而且可焊性差[2-3]。盡管在該材料制造時能在其表面獲得很薄的一層鋁合金使其獲得良好的焊接性能，但為了獲得特定的形狀和高的尺寸精度及表面光潔度，SiCP/Al復合材料必須進行或多或少的機械加工，這樣那層薄的鋁合金覆蓋層便不復存在了，最終裸露出來的大量SiC陶瓷顆粒使SiCP/Al復合材料焊接性能變得很差[4-8]。

筆者制備了一種梯度SiCP/Al復合材料，選用Al-7Si合金為頂層，中體積分數的SiCP/Al復合材料為過渡層，熱力學性能能夠滿足電子封裝材料要求的高體積分數SiCP/Al復合材料為底層[9-10]。這種梯度設計使SiCP/Al復合材料底部擁有較好的導熱性能和較低的熱膨脹系數(CTE)，頂部具有較好的可焊性與加工性能。

1 試驗方法

1.1 復合材料制備

以硅粉(粒徑為7 μm)，鋁粉(粒徑為20 μm)和碳化硅粉(粒徑分別為W14、W20、F240等3種規格)為起始原料。按表1的計量比配制混合料，每種混合料分別在滾筒式混料機上混合2～3 h，轉速約為200 r·min-1，得到4種均勻的混合粉。將4種混合粉分層依次裝入模具：67%(質量分數，下同)F240+33%W14混合粉為底層，70%Al-7Si+30%W20SiC混合粉為過渡層2，80%Al-7Si+20%W20SiC混合粉為過渡層1，Al-7Si混合粉為頂層，各層理論厚度如表1所示，施加10 MPa壓力預壓緊，置于真空熱壓爐，然后抽真空，通過半固態熱擠壓方法制備梯度SiCP/Al復合材料，升溫至650 ℃保溫0.5 h，冷卻后再經390 ℃退火處理得到梯度SiCP/Al復合材料。梯度SiCP/Al復合材料的實物圖和各層結構示意圖如圖1所示。

表1 梯度SiCP/Al復合材料成分配比方案Tab.1 Composition proportion scheme of gradient SiCP/Al composites

圖1 梯度SiCP/Al復合材料實物圖和各層結構示意圖Fig.1 The a)physical drawing and b)structure diagram of the gradient SiCP/Al composites

1.2 復合材料表征

1.2.1 顯微分析

采用MR5000型金相顯微鏡觀察梯度SiCP/Al復合材料的顯微組織形貌；采用Hitachi-SU8020型場發射掃描電鏡(SEM)觀察梯度SiCP/Al復合材料的抗彎試樣斷口形貌。

1.2.2 熱膨脹系數

用TMA402F3型熱機械分析儀測試梯度SiCP/Al復合材料各層的熱膨脹系數，選取合適長條狀的樣條，進行研磨拋光，確保表面光滑，長條尺寸為5 mm×5 mm×2 mm，升溫速率為5 ℃·min-1，測定溫度范圍為100～400 ℃，試驗根據下式計算材料的熱膨脹系數?：

?=dL/(dT·L0)

(1)

式中：L0為樣條的原始長度；dL/dT為樣條的長度隨溫度的變化率，其中dL=L-L0；L為試樣經過加熱后的長度；dT=T-T0，其中T為樣品升高后的溫度，T0為初始溫度，一般取室溫25 ℃。

1.2.3 三點抗彎強度

用DSC-5000G型萬能材料試驗機測試梯度SiCP/Al復合材料各層的三點抗彎強度，試樣尺寸為4 mm×3 mm×2 mm，跨距為30 mm，壓頭移動速率為0.5 mm·min-1，連續加載，然后用游標卡尺測量并記錄下試樣的長、高、寬，測試結束后，記錄其斷裂載荷，最后按照下式計算出測試樣品的三點抗彎強度σ:

σ=3Fl0/2bh2

(2)

式中:F為斷裂載荷;l0為跨距;b為試樣的寬度；h為試樣的高度。

2 試驗結果與討論

2.1 梯度SiCP/Al復合材料的顯微組織形貌

圖2為梯度SiCP/Al復合材料各層的顯微組織形貌。圖2 a)為頂層Al-7Si材料的顯微組織形貌，淺色區域為α-Al相，深色部分為Al-Si共晶組織，為斷續的網絡狀結構，呈典型的亞共晶的Al-Si金相形態。圖2 b)，c)，d)分別為梯度SiCP/Al復合材料的過渡層1、過渡層2和底層的顯微組織形貌。連續分布的淺色區域為Al基體，離散分布的呈棱角分明狀的深色區域為SiC顆粒。圖2 b)和c)中SiC顆粒分布均勻且致密，無明顯缺陷，Ⅲ層較Ⅱ層SiC含量明顯增多。圖2 d)中SiC顆粒分布均勻致密，無雜質、氣孔等缺陷，細小的SiC顆粒充分填充到粗大顆粒的間隙中，無顆粒團聚現象。

圖2 梯度SiCP/Al復合材料各層的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of each layer of the gradient SiCP/Al composites：a)layer Ⅰ；b)layer Ⅱ；c)layer Ⅲ；d)layer Ⅳ

圖3為梯度SiCP/Al復合材料各層分界面附近的顯微組織形貌，各層間的分界面位置如圖中虛線所示。由圖3可知，梯度SiCP/Al復合材料各層分界面清晰、平直，界面結合良好；鋁合金致密分布，沒有孔洞、裂紋；SiC顆粒在層內分布均勻，SiC顆粒固定在原位，沒有上浮和下沉的現象。從圖3中可以清晰的看出，梯度SiCP/Al復合材料自頂層到底層SiC含量逐步增大，呈現出一種梯度。

圖3 梯度SiCP/Al復合材料各層界面附近顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology near the interface of the gradient SiCP/Al composites：a)interface between layer Ⅰ and Ⅱ；b)interface between layer Ⅱ and Ⅲ；c)interface between layer Ⅲ and Ⅳ

2.2 梯度SiCP/Al復合材料熱的膨脹系數

圖4中，4條實線分別為梯度SiCP/Al復合材料各層的CTE，兩條虛線分別為單層Al-7Si+20%W20SiC和單層Al-7Si+30%W20SiC材料的CTE。由圖4可知，梯度SiCP/Al復合材料各層的熱膨脹系數在100～400 ℃隨溫度升高而上升，這是因為溫度升高，原子非簡諧振動加劇，導致熱膨脹系數增大。由圖4還可知，100 ℃下頂層材料的熱膨脹系數為21.0×10-6℃-1，底層復合材料的熱膨脹系數為8.0×10-6℃-1，兩者相差13.0×10-6℃-1，如果直接將頂層與底層相結合，兩者的熱膨脹系數相差較大，材料內部熱應力太大，燒結與加工過程中，可能會發生材料的斷裂、彎曲，所以在頂層和底層之間插入過渡層，使其熱膨脹系數自上到下逐漸減小，得到底部擁有較好導熱性能和較低熱膨脹系數而頂部具有較好可焊性與加工性能的梯度SiCP/Al復合材料。對比過渡層1和單層Al-7Si+20%W20SiC材料的CTE、過渡層2和單層Al-7Si+30%W20SiC材料的CTE可知，復合后材料的熱膨脹系數明顯低于單層材料的熱膨脹系數，這是由于Al-7Si在650 ℃時為液相，梯度復合材料在同步致密化過程中伴隨著鋁液的流動，頂層鋁液向過渡層滲透，過渡層中鋁液也向底層發生滲透，導致過渡層的碳化硅含量有所增大，4層復合材料的SiC含量呈現一種梯度變化。

圖4 梯度SiCP/Al復合材料各層的熱膨脹系數Fig.4 The CTE of each layer of the gradient SiCP/Al composites

2.3 梯度SiCP/Al復合材料的抗彎強度

圖5為梯度SiCP/Al復合材料各層的抗彎強度。由圖5可知，頂層到底層的抗彎強度隨著各層SiC含量的增加而增加，底層與過渡層之間增幅較小。這是由于增強體SiC顆粒增加，復合材料中承擔壓力的載體也相應增加，但材料的脆性也會隨之增加。當SiC顆粒體積分數較高時，其間距將減小，有利于提升其抗彎強度。復合材料在壓力作用下，基體沒有足夠塑性來傳遞材料內所發生的應力變化，在達到正常斷裂強度前已經發生斷裂，使過渡層與基體間抗彎強度增加幅度減小。

圖5 梯度SiCP/Al復合材料各層的抗彎強度Fig.5 Bending strength of each layer of the gradient SiCP/Al composites

2.4 梯度SiCP/Al復合材料的斷口形貌

圖6為梯度SiCP/Al復合材料各層的斷口SEM形貌。圖6 a)為頂層的斷口形貌，此時發生的斷裂為鋁基體的斷裂，斷裂方式為準解理斷裂。圖6 b)及圖6 c)分別為過渡層1和過渡層2的斷口形貌，可以看出增強體SiC顆粒顏色較深，呈解理斷裂特征，未觀察到SiC顆粒從鋁基體的脫落現象，說明鋁基體與SiC顆粒間的界面結合強度良好；鋁基體為準解理斷裂，但延展性有所降低。圖6 d)為底層的斷口形貌，增強體SiC顆粒與基體鋁合金界面接觸緊密，未出現團聚與偏析現象。粗顆粒SiC穿晶斷裂為主，解理面平直粗大。

3 結論

(1)采用分層裝粉后液態熱壓的方法制備出梯度SiCP/Al復合材料。梯度SiCP/Al復合材料各層的分界面清晰、平直，界面結合良好；層內SiC顆粒分布均勻，SiC顆粒未發生流動。

(2)梯度SiCP/Al復合材料各層自上到下熱膨脹系數逐漸減小，這是SiC顆粒含量不同導致的結果。復合材料在同步致密化過程中伴隨著鋁液的流動，頂層鋁液向過渡層滲透，過渡層中鋁液也向底層發生滲透，導致過渡層的SiC含量有所增大，4層復合材料中SiC含量呈現一種梯度變化。

(3)梯度SiCP/Al復合材料的抗彎強度隨著增強體SiC顆粒體積分數的增加而增大，底層與過渡層之間增幅較小。