论文部分内容阅读
随着人们对电子设备性能的要求越来越高,有效的散热已经成为保证半导体器件稳定可靠运行的关键,这对电子封装材料提出了越来越高的要求。石墨鳞片/铜复合材料具有高导热、易加工和成本低等优点,吸引了众多研究者的关注。然而,由于石墨和铜之间润湿性较差,从而导致界面结合较弱。本文通过石墨鳞片表面镀覆和基体合金化两种方法来改善石墨鳞片和铜之间的界面结合,再通过真空热压烧结制备石墨鳞片/铜复合材料。探讨了复合材料的最佳制备工艺,研究了石墨体积分数、不同镀层以及合金元素含量对复合材料组织和性能的影响。研究结果表明:通过盐浴镀法可在石墨鳞片表面镀覆均匀、完整的碳化物镀层。盐浴镀钛后的镀层成分为TiC,而盐浴镀铬后镀层则由Cr7C3和Cr3C2共同组成。采用湿混、多次装模工艺可以实现石墨鳞片在基体中均匀分布、取向一致。通过真空热压烧结在烧结温度980℃,烧结时间30 min和烧结压力40 MPa的条件下,可获得相对密度超过98.5%的复合材料。烧结后钛镀层成分未发生变化,但铬镀层中的Cr7C3相与石墨发生反应转变成了 Cr3C2。镀层的引入减少了界面处孔洞等缺陷,显著改善了界面结合。复合材料具有明显的各向异性,其X-Y平面的热导率远大于Z方向的热导率。当石墨鳞片的体积分数在30～60%之间时,镀钛复合材料X-Y平面的热导率在438～571 W·m-1·K-1之间,而镀铬复合材料的热导率在498～625 W-m-1·K-1之间。复合材料在X-Y平面的热膨胀系数随着石墨鳞片体积分数的增加缓慢下降,其数值接近Temer模型。而Z方向的热膨胀系数随着石墨鳞片含量的增加迅速下降,其数值更接近修正后的Kerner模型。镀层的引入有利于降低复合材料的热膨胀系数,其中Z方向的热膨胀系数下降明显。镀层显著提高了复合材料在X-Y方向上的抗弯强度,当石墨鳞片体积分数为60%时,镀钛复合材料和镀铬复合材料的抗弯强度分别为53.2 MPa和55.7 MPa,相对于未镀覆的复合材料分别提高了 57.9%和65.3%。在铜基体中加入合金元素可以在界面处原位生成相对应的碳化物,显著提高界面结合。随着合金元素含量的增加,复合材料的热导率先增加后降低。当石墨鳞片体积分数为50%时,Ti、Zr两种合金元素的添加量均为1.0wt.%时复合材料具有最高的热导率,分别为597W·m-1·K-1和640 W·m-1·K-1。随着合金元素含量的增加,复合材料的热膨胀系数逐渐降低,但Z方向的降低幅度更大。复合材料的抗弯强度随着合金元素含量的增加逐渐增大。当基体中分别加入2wt.%的Ti和Zr时,复合材料的抗弯强度分别为80 MPa和95 MPa,相对于未添加合金元素复合材料的抗弯强度分别提升了 61%和90%。