SiC陶瓷基片的烧结工艺与SiCpAl复合材料的制备方法.pdf
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1、 3 6 材料导报 A:综述篇 2 0 1 2年 3月(上)第 2 6 卷 第 3期 S i C陶瓷基片的烧结工艺与 S i Cp Al 复合材料的制备方法 王志勇,彭超群,王 日初,王小锋,李婷婷,刘 兵(中南大学材料科学 与工程学院,长沙 4 1 0 0 8 3)摘 要 概述 了电子 封装基片材料 的基本性 能要 求;讨论 了 S i C陶瓷基 片常用的 4种烧 结工 艺,即常压烧 结、热 压 烧结、反 应烧 结和放 电等 离子烧 结;介绍 了 S i C】A1 复合 材料 的制 备 方 法,即搅拌铸 造 法、无压 渗透 法、喷射 沉积 法、粉 末冶金 法;据 此进一 步提 出了 S i
2、C陶瓷基片材料的发展 方向。关键词 S i C 热导率烧结工艺S i C。A 1 复合材料 S i nt e r i n g Te c h no l o g i e s o f S i C Ce r a mi c S u b s t r a t e a n d Pr e p a r a t i o n Me t h o d s o f S i C p Al Co mp o s i t e s W ANG Z h i y o n g,P ENG Ch a o q u n,W ANG Ri c h u,W ANG Xi a o f e n g,LI Ti n g t i n g,LI U Bi n
3、 g (S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g,Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3)Ab s t r a c t Th e e l e me n t a l r e q u i r e me n t s f o r e l e c t r o n i c p a c k a g i n g s u b s t r a t e ma t e r i a l s a r e i n t r
4、o d u c e d F o u r s i n t e r i n g t e c h n o l o g i e s a r e a n a l y z e d,i e p r e s s u r e l e s s s i n t e r i n g,h o t p r e s s s i n t e r i n g。r e a c t e d s i n t e r i n g a n d s p a r k p l a s ma s i n t e r i n g T h e p r e p a r a t i o n me t h o d s o f S i C p A1 c o
5、 mp o s i t e s a r e d e s c r i b e d,i e s t i r c a s t i n g me t h o d,p r e s s u r e l e s s i n f i l t r a t i o n me t h o d,s p r a y d e p o s i t i o n me t h o d,p o wd e r me t a l l u r g y me t h o d Fu t u r e t r e n d s a r e p u t f o r wa r d a c c o r d i n g l y Ke y wo r d
6、s S i C,t h e r ma l c o n d u c t i v i t y,s i n t e r i n g t e c h n o l o g i e s,S i Cn A1 c o mp o s i t e s 0 引言 的烧结工艺及s ic A 复合材料的制备方法。电子封装基片是一种底座电子元件,主要用于 电子元器 件及其相互联,起机械承载支撑、气密性保护、电气设备的散 热等作用。基片材料必须与置于其上的元器件在物理性能、化学性能和电学性质方面保持 良好 的匹配。因此,封装基 片 应具有以下性质(。_ :(1)热导性能良好。该性能是电子封装 材料的主要性能指标之一,电子元
7、器件产生的热量如不及 时 散发,将导致芯片的工作温度升高,严重影 响工作寿命。(2)线膨胀系数匹配(主要与 S i 和 G a A s)。若热膨胀系数相差较 大,电子器件工作时易产生热应力。(3)高频特性 良好,即应 具有低的介 电常数和低 的介 电损耗。高速传导信号 的布线 电路上,信号延迟时 问与基片材料介 电常数平方根成正 比。(4)强度高,力学性能高。(5)电绝缘性能好,化学性质稳定。目前,电子封装基片材料 的种类很 多,常用 的基片分为 金属封装基片、塑料封装基片和陶瓷封装基片 3大类,其中,陶瓷封装基片热导率高,是一种综合性能较好 的气密性封装 方式。常见的陶瓷基片材料 主要有 A
8、l O。、A1 N、B e()、B N 和 S i C等。而 S i C陶瓷基片具有 耐高温、耐腐蚀、抗 冲刷、抗热 震、耐磨损、与 s i 相匹配 的线膨胀系数及 良好 的热传导等优 良性能。但由于 S i C介电常数偏大,限制 了其 在高密度封装 和集成电路中的应用。本文 主要 简要介绍 了 S i C陶瓷基 片 1 S i C陶瓷 的烧结工艺 1 1 常压烧结 1 1 1 固相烧 结 单一陶瓷粉体烧结常常属于典型的固相烧结,即在烧结 过程 中没有液相形成。陶瓷坯体的致 密化主要是通过蒸发 和凝聚、扩散传质等方式来实现的。其烧结过程主要 由颗粒 重排、气孑 L 填充和晶粒生长等阶段组成_
9、5 。同时,固相烧 结 可以通过合适的颗粒级配、适当的烧结温度和较短的保温时 间等工艺参数来实现致密化烧结。自 2 0世纪 7 O年代,P r o c h a z k a l 6 在高纯度的 S i C中加人 少量的 B和 C作为烧结助剂,在 2 0 5 0 成功地固相烧结出致 密度高于 9 8 的 S i C陶瓷 以来,固相烧结就一直很受关注。虽然 S i C-B-C体系固相烧结 S i C需要较高 的烧结温度,烧结 晶粒粗大,均匀性差,而且 S i C陶瓷具有较低的断裂韧性、较 高的裂纹强度敏感性和典型的穿 晶断裂模式,但是 固相烧结 的烧结助剂含量低,杂质少,晶界几乎不残 留低熔点物质,
10、烧 结后的 S i C陶瓷高温稳定性好、热导能力强l 7 剖。因此,固相 烧结在 S i C陶瓷烧结 中具 有潜在 的应 用价值。目前,采 用 S i C-B-C烧结体系来进行固相烧结 S i C陶瓷的厂家主要有美 国的 GE公 司。*国家 民 口配套科研项 目(MKP r r _ O 3 1 8 2)王志勇:男,硕士生,研究方向为电子封装陶瓷基片材料 彭超群:通讯作者,教授,博士Te l:0 7 3 1 8 8 8 7 7 1 9 7 E ma i l:p c q p c q C S U e du e n S i C陶瓷基 片的烧结工艺与 S i C p A1 复合材料 的制备方法 王志勇等
11、 3 7 1 1 2液相 烧 结 由于陶瓷粉体中总有少量的杂质,大多数材料在烧结过 程中都会或多或少地出现液相。另外,即使在没有杂质的纯 固相系统中,高温下还会 出现“接触”熔融现象,因而纯粹 的 固相烧结实际上不易实现,大多数 的烧结实属液相烧结 。液相烧结是以一定数量的多元低共熔点氧化物为烧结助剂,在高温下烧结助剂形成共溶液相的烧结过程,烧结 晶粒细小 均匀呈等轴晶状。其烧结体系的传质方式为流动传质,可降 低致密化所需要的能量,容易实现低温下 的烧结致密化,缩 短烧结时问。同时,低共溶液相的引入和独特的界面结合弱 化,使材料的断裂模式为沿晶断裂模式,材料的断裂韧性和 强度显 著提高。Na
12、k a n o等_ g 利用 B e O 的高热导能力 以及 S i C与 B e O在烧结过程中形成液相 的特点,最终制备 出热导 率高达 2 7 0 W(m K)的 S i C陶瓷。Ta k a d a等l_ 1。在 2 2 0 0 烧结平均粉末粒径为 0 5 F ro的 S i C陶瓷的过程中,加入烧结 助剂 2 B e()、0 2 O 4 B C和 0 2 O 3 c(质量分 数),无压烧结 0 5 h,获得材料的电阻率和热导率分别为 5 l O Q c m和 1 4 0 w(m K)。在烧结过程中,均匀分布在 S i C表面的 B原子和 C原子与 S i 原子反应,生成 GB-C、S
13、 i B-C、s i 一 s i 和 S i DS i 键,促进 S i 原子 的扩散,提高 S i C陶瓷 的致密度。1 2 热 压 烧结 热压烧结是指在 S i C加热烧结 的同时,施加一定 的轴向 压力而进行的烧结。热压烧结可增大 S i C粒子间接触面积,降低烧结温度,缩短 烧结时 间,增加烧结体 的致密化,促进 S i C烧结。为了使 S i C粒子更容易烧结,热压烧结通常需要 在 S i C粉体中加入 B、C、A l、C、Y O。、A 1:O。等烧结助剂来 促进烧结l】。B、Al 或 B C固溶于 S i C中,降低 S i C的界 面能,C主要与 S i C粒子表面的 S i O
14、。反应形成低温液相,促 进 B、A 1 的扩散 。L i u 等 以 Y 2 o。和 A l。0。为烧结助剂,在 2 0 0 0、3 0 MP a的烧结条件下进行烧结,烧结 出 S i C陶瓷 的致密程度为 9 7 9 9 3,而烧结过程 中 Y2 和 Al ()。生成热导率 N x,t 较低 的第二相 YAG,致使室温下的 S i C的热 导率仅为 9 2 w(mK)。Z h u o等。在 2 0 0 0、4 0 MP a条件 下,以Y 和 L a 03 为烧结助剂热压烧结 S i C陶瓷 2 h,获得 热导率 为 1 6 6 W(m K)的陶瓷基片,一方 面,所添 加的 Y O。具有驱氧能
15、力,从而净化 晶格,减少晶格缺陷,增大 晶 粒纯度,提高热导率;另一方面,以 L a O。代替 A1 O 可以确 保 Y。0。不形成低热导率 的 YAG,提高其导热能力。热压烧 结能很好地实现陶瓷烧结体 的致密化,是制备高性能 S i C陶 瓷材料的有效途径,但其 工艺生产复杂、设备 昂贵、成本高,难 以制造出形状复杂的 S i C部件,不利于工业化生产。1 3 反应烧结 反应烧结 S i C是利用含 C粉和 S i C粉成型体 与气相 S i 或液相 S i 在高温下反应得 到 S i C的烧结体。其烧结过程不 需要添加任何烧结助剂,晶粒 中缺 陷少,晶界纯度高,对材料 的热导性能影响小。原
16、料中的 C与外部的 反应,一方面可 以生成 S i C,另一方面引起致密化作用,反应烧结后烧结体 内 的气孔进一步由 S i 填充,得到致密且收缩极小 的烧结体,可 应用于 S i C电子陶瓷领域 。自 2 0世纪 5 O年代利用反应熔 渗烧结法制备 S i C陶瓷以来,为了减少材料 的结构缺陷并提 高材料的性能,研究者通过不断改进成型方式和改善工艺,提高反应烧结的性能。刘红等_ j 将熔融态的 S i 通过毛细作 用渗入坯体 中与碳粉反应,新生成的 S i C将原来 的 S i C晶须 和 S i C结 合在 一起,得 到致 密度 高、缺 陷少、弯 曲强 度 为 2 4 3 MP a、断裂韧
17、性值(KK:)为 6 4 3 MP a 。、热导率为 1 2 5 3 w(m K)的 S i C S i C复合 材料。其与反应烧结的 S i C (R B-S i C)陶瓷的性能列 于表 1。目前,反应烧结 S i C陶瓷制 品主要有英国的 UKAE A的 Re f e l-S i C和美 国 C a r b o r u n d u n 公司的 KT-S i C。国内在山东有数家厂家采用反应烧结制备 S i C陶瓷,生产工艺成熟,产品性能稳定。表 1 R B-S i C和 S i C(S i C的物理性能和力学性能”Ta b l e 1 Ph y s i c a l a n d me c h
18、 a n i c a l p r o p e r t i e s o f RB-S i C a n d S i C()S i C 1 7 1 4 放电等离子烧结 放电等离子烧结是利用脉冲大电流直接施加于模具 和 样品上加热,使被烧结样品快速升温而进行的烧结。放电等 离子烧结具有升温速度快,烧结速率快、时间短,构成 的组织 成分可控性强,环保节 能等鲜明优点,是一种具有 广阔应用 前景的制备技术。在烧结过程 中 S i C粉体 的烧结机理主要 有:低温下是焦耳热和电场 的共同作用加速原子的扩散和物 质的传输;高温下是放 电效应、焦耳热和 电场的共 同作用促 进原子的扩散和物质的传输l l。在烧结
19、过程中,颗粒间的瞬 间放电和高温等离子体可以破碎或去除粉体颗粒表面杂质 和吸附的气体,活化粉体 颗粒表面,提高烧结质量 和效 率。一些研究 者 以 S i C微 粉为 原料,添加质 量分 数为 1 O 的 Al ()3 和 Y。(物质的量 比为 5:3)为烧结助剂,在 1 6 0 0、5 0 MP a、5 mi n的烧结制度下,采用放电等离子烧结技术制备 出 S i C陶瓷烧结体,其致密度为 9 9 O 9 ;烧结体内 S i C陶瓷 晶粒尺寸为 1 2 m,较好地控制了晶粒尺寸,很大程度上降 低 了烧结温度,减少了生产成本_ l。2 S i C。A!复合材料 的制备方法 S i C陶瓷基片的
20、高介 电常数和高介电损耗,限制了其在 航空航天等高频领域的应用。对 S i C陶瓷进行金属化,如制 备 S i C A 1 复合材料,可 以降低其介 电常数;通过改变 S i C 的体积分数来调节其热膨胀系数,得到与基板材料相匹配的 热膨胀系数,减少热应力破坏,使材料适合高密度的封装,同 时也可以满足航空航天等高频领域的应用。目 前,S i C。A 1 复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、无压渗透法、喷射沉积法和粉末冶金法。由于所选制备工 3 8 材料导报 A:综述篇 2 0 1 2年 3月(上)第 2 6卷第 3期 艺的不同,产 品的微观组织、性 能各不相 同,主要表现在 S i C。颗粒增
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