学文网摘 要本实验以硅粉和铝粉为原材料，采用放电等离子烧结工艺（SPS）制得Si/Al复合材料并对样品的物理性能和机械性能进行研究。实验结果表明：烧结过程中铝均匀分布在硅颗粒周围，随着硅含量增加，材料的密度、热膨胀系数、电导率都降低，最佳性能匹配为60%Si的硅铝复合材料。
【关键词】SPS烧结 硅元素 物理性能
现代的电子产品在使用过程中要求具有良好的散热性能，防止半导体器件的失效。研究表明温度每升高10℃，硅半导体的寿命就减少1/3左右，这就需要高散热性的电子封装材料，其热膨胀系数要与Si和GaAs半导体材料匹配，传统的电子硅元素对Si-Al电子封装材料性能的影响
文/吕荣青1，2金等，已经不能满足高导热低膨胀的综合性能要求。新型的高Si-Al合金复合材料显示出了它的优越性，Al具有低的密度和较高的热导率，Si本身就是半导体材料，两者结合可以获得轻质低热膨胀高导热率优良Si-Al电子封装材料。英国的Osprey金属公司采用喷射沉积+热等静压的方法制备了具有优良性能的电子封装材料，但这种方法制造成本高，对设备要求很高。日本住友电器生产了40Si-Al材料CMSHA-40，但综合性能指标仍不十分理想。
粉末冶金工艺通过改变Si颗粒与Al粉末的粒度组成和质量比，成分和成形都易于控制，可制备高密度的复合材料。本研究采用粉末冶金法开发不同Si含量的Si-Al电子封装材料，并对制备工艺和性能进行探讨。
1 试验
实验用的原料为水雾化Al粉和Si粉。Al粉为近球形，Si粉为不规则多边形。将平均直径125ηm的Si粉和平均直径12.5ηm的铝粉按质量比3：7、1：1、6：4、7：3在行星球磨机中混合均匀，转速为260r/min，混合1h。使用上海晨鑫生产的SPS-30放电等离子烧结炉，脉冲持续时间为3ms，电流开关比为11：2，真空度小于1pa，在尺寸为85mm×40mm×75mm的圆柱形石墨模具中烧结，石墨毡用来隔热保温，用铂铑热电偶测试温度变化，升温速率100℃/min，样品在580℃烧结温度下保温5min，压力保持在45MPa。
粉末冶金烧结试样采用线切割加工成Φ10mm×5mm的圆柱，然后用TC-7000激光热常数测量仪测定常温下材料的热导率；采用OLYMPUS-GX51型金相显微镜和Hitachi S-4800N型扫描电镜观察材料的微观组织，采用Archimedes排水法测定材料的密度。
2 实验结果及分析
2.1 颗粒形貌
***1展现的是不同硅含量的Si/Al混合粉的形貌照片，可以看出，铝粉主要为近球形，硅粉为不规则多边形，并且粉末混合均匀，无明显偏聚现象。
2.2 复合材料组织性能
***2是不同硅含量Si/Al复合材料的金相组织，可以看出复合材料的组织烧结致密，具有相互连接的网状组织结构。因为铝和硅的熔点分别为660℃和1420℃，因此，不可能用同样的烧结方法使复合材料达到致密化，材料内部产生空隙，影响材料的性能。放电等离子烧结使每一个颗粒表面均匀的产生热量，活化颗粒表面，铝熔化后流入硅颗粒的间隙中，促进了材料的致密化。同时，随着硅含量的增加，复合材料中的空隙增多，铝含量减少致使流入空隙中的铝熔液量降低，空隙变多，密度降低，并且空隙作为裂纹源，降低了材料的机械性能和热性能。所以硅的含量要合理控制来保证复合材料的综合性能。
2.3 复合材料物理性能
2.3.1 密度
复合材料理论密度ρt用以下公式计算：
ρt=ρSiVSi+ρAlVAl （1）
其中ρi为复合材料的密度，Vi为复合材料组分的体积分数。ρSi为2.34g/cm3，ρAl为2.70g/cm3。
表1列出了不同硅含量的Si/Al复合材料的密度，随着硅含量的增加复合材料的密度逐渐降低，这与金相组织的观察结论是一致的，并且可以看出，Si/Al复合材料的密度相对较低，从而可以应用在电子器件、航空零部件等领域。
2.3.2 热膨胀系数
热膨胀性能是电子封装材料非常重要的性能指标，而热膨胀系数（CTE）是评价热膨胀性能的指标之一。热膨胀系数在理论上应用Turner模型和Kerner模型来进行计算，然后比较分析计算所得值与实验值的差异。***3所示为复合材料热膨胀系数理论计算值和实验值随Si含量的变化曲线。由此可以看出，该所述Si/Al复合材料的热膨胀系数随Si含量的增加逐渐降低。
***3中，硅含量为60%的铝硅复合材料的热膨胀系数为10.5×10-6K-1，比Kerner模型数值低，比Terner模型数值高，但差距不大，说明模型的假设条件是有局限性的，但不影响对材料性能的估计。由于SPS工艺制备的材料组织均匀，由热膨胀引起的残余应力大大降低，同时，由于60%的铝硅复合材料具有相对较高的热导率114.8W/（m・K），因此，非常适合用于电子封装材料。
2.3.3 热导率
电子封装材料的热导率是判定封装材料能否有效地消散芯片所产生热量的主要指标。***4所示为不同含量硅/铝复合材料的热导率曲线，可以看出，所述Si/Al复合材料的热导率随Si含量增加而逐渐减少，因为单晶Si的热导率为148W/（m・K），单晶Al的热导率为247W/（m・K）。并且随Si含量的增加硅/铝复合材料的密度降低，导致复合材料热导率的降低。
3 结论
（1）Si/Al复合材料由SPS技术制备。铝和硅不发生化学反应，在烧结过程中，高温使铝熔化渗入到硅颗粒周边，促进材料的致密化。
（2）密度随着硅含量的增加而降低，当硅含量为50%时，相对密度达到了98.02%。
（3）热膨胀系数、热导率都随着硅含量的增加而减小，性能最优匹配的是硅含量60%的Si/Al复合材料。
参考文献
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作者简介
吕荣青（1972-），男，山东省莱芜市人。现为莱芜职业技术学院讲师。研究方向为物理、电子、粉末冶金新材料等。
作者单位
1.莱芜职业技术学院 山东省莱芜市 271100
2.莱芜市粉末冶金先进制造重点实验室 山东省莱芜市 271100
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