烧结温度对SiCp/Al复合材料组织与性能的影响

刘兴丹，阎峰云,，赵红娟，陈体军，马郁柏

(1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；2. 兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050)

烧结温度对SiCp/Al复合材料组织与性能的影响

刘兴丹1，阎峰云1,2，赵红娟1，陈体军1，马郁柏1

(1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；2. 兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050)

借助于直热法粉末触变成形，通过控制加电方式，压制成形并烧结制备SiCp/Al复合材料，并对复合材料进行微观组织分析及热物理性能与力学性能测试，研究烧结温度对复合材料微观组织、热膨胀系数、热导率及抗弯强度的影响。结果表明：随烧结温度升高，复合材料内气孔减少，热膨胀系数先减小后增大，热导率逐渐增大，抗弯强度先增大后减小。最佳烧结温度为600 ℃，此温度下制备的含SiCp体积分数60%的SiCp/Al复合材料中，SiCp颗粒分布均匀，材料组织致密；室温至250 ℃平均热膨胀系数小于5.0×10-6℃-1，其室温热导率为165 W/(m·℃)，密度为3.01 g/cm3，复合材料的抗弯强度为340 MPa。

烧结温度；触变成形；SiCp/Al复合材料；热膨胀系数；热导率；抗弯强度

随着电子信息的发展，高导热、与芯片匹配的热膨胀系数、低密度及高抗弯强度成为现阶段IGBT基板的基本要求。SiCp/Al作为新型的电子封装材料，由于其具有优良的热物理性能及力学性能成为研究的热点[1-3]。近几年，因国内轨道交通的迅速发展，IGBT基板的需求量呈大幅增长，但国内 IGBT市场基本上被日本、欧美等企业所垄断，国内大多还处于研究与探索阶段。国内外制备 SiCp/Al基板的方法主要有压力浸渗法和无压渗透法等，美国CPS是最早研发基板等封装材料的公司，该公司用压力浸渗法生产的SiCp/Al电子封装产品如封装外壳、大功率IGBT基板及高亮度LED基板等，已大量投入市场[4]；国内也有公司通过无压渗透工艺生产出了 SiCp/Al系列基板材料[5]。这些方法生产周期长，制备温度较高易发生界面反应而影响材料性能[6]。本文设计通过直热法粉末触变成形(即直接对混合粉末进行通电流加热且烧结温度为基体合金半固态温度的成形方法)制备IGBT基板用SiCp/Al复合材料的新方法，即直接将SiCp与Al合金混合粉末填入凹模模腔内，合模后通电流进行烧结，加热方式既不同于真空热压烧结[7]，也不同于放电等离子烧结(SPS)[8-10]，而是采用低压大电流方式加热粉体，该方法具有制备流程短、加热温度可控、成形压力大和烧结效率高等特点。对该方法的制备工艺进行探索性研究，考察烧结温度对SiCp体积分数60%的 SiCp/Al复合材料的微观组织、热物理性能与力学性能的影响。

1 实验

实验用 SiCp粉末为市售绿色 α-SiC。为提高SiCp/Al复合材料的体积分数及致密度，常采用大、小粒度SiCp粉末混合使用的方法。本实验选用100 μm和5 μm两种粒径的SiCp粉末进行混合，两种的粒径SiCp质量比为 9.5:0.5；选用平均粒度为 54 μm 的Al10Si合金作为基体材料，其共晶点温度为577 ℃，液相线温度为600 ℃。

对SiCp进行预处理，将SiCp放入浓度为10%的稀盐酸溶液中，搅拌30 min后用蒸馏水反复清洗干净并烘干；随后进行高温氧化处理，将SiCp放于电阻炉中加热至1 100 ℃,保温4 h。将处理过的SiCp按粒径配比称取并与Al合金粉末混合倒入球磨罐中，球料比2:1，转速150 r/min，球磨1 h后取出。

进行SiCp/Al复合材料的制备，其具体过程分为4个步骤：预压烧结—持续升温—加压致密化—撤压保温，所用设备原理如图1所示。将混合均匀的粉末放入模具内腔中，合模进行预压，然后通电流，对电流进行逐步调节，经过多次调试，最终确定电流调节机制为：0-500A/2 min-1 000A/2 min-2 000A/2 min-3 000 A/2 min-3 500 A至结束，当温度到达预定温度(580/590/600/610 ℃)后，进行加压紧实，加压时间 4 min，压力为175 MPa，经保压后取出试样，实验时间控制在26 min内，烧结过程中不需气氛保护。

图2所示为典型的烧结温度为600 ℃时60% SiCp/ Al复合材料的烧结曲线，由图可以看出：实验前8 min为预压烧结阶段(施加10 MPa压力)，随电流增大，电压降低较明显，从3.4 V降至2.4 V，这是因为在压力作用下，烧结体孔隙减小，致密度提高，使电阻减小。另外，温度呈线性上升，从室温上升至212 ℃。8～20 min为第二个阶段:持续升温，此时电流已达到 3 500 A，且维持不变，此阶段电压下降较平缓。在14 min前，由于模具升温使整体温度上升较缓慢，14 min后，温度急剧上升达到预定烧结温度600 ℃，然后进行加压(170 MPa)并保压4 min，此为加压致密化阶段，此时电压减小为原电压一半，这是由于加压状态下，基体Al合金的流动带动了SiCp的流动[11]，使烧结体内孔隙减少，电阻急剧下降，同时温度也随之下降；24 min时，加压降低至预压压力，进行保温，此时电压上升，温度下降较缓慢，26 min时实验结束。

图1 实验设备示意图Fig.1 Schematics of equipment

图2 60% SiCp/Al复合材料的制备工艺曲线Fig.2 Curve on preparation of 60% SiCp/Al composites

2 结果与分析

2.1 微观组织观察

图3所示为SiCp/Al复合材料在4种不同烧结温度下的微观组织，图中SiCp分布均匀，小粒径的SiCp均匀填充于大粒径的SiCp间隙中。图3(a)与图3(b)中复合材料缺陷明显，存在少量气孔，这是由于烧结温度为580 ℃和590 ℃时，部分Al合金为熔融状态，压力作用下基体合金流动性较差，致使复合材料组织不够致密；图3(c)所示的微观组织，无气孔，因为600 ℃时Al合金流动性好，充分带动SiCp流动，使SiCp分布更均匀，复合材料组织较致密。当烧结温度为610 ℃时(图3(d))，部分Al合金呈液态，流动性进一步加强，在压力作用下，存在液相挤出现象，使SiCp发生偏聚，存在一定成分偏析，SiCp实际体积分数增大。

图3 复合材料不同烧结温度的微观组织Fig.3 Microstructures of composites with different sintering temperatures

2.2 热物理性能

图4所示为SiCp体积分数为60%时SiCp/Al复合材料的热膨胀系数与烧结温度的关系曲线图。由图可知，随加热温度升高(横坐标100～200 ℃)，增强体颗粒与基体合金的界面对热膨胀的制约作用减弱[12]，故不同烧结温度的复合材料随加热温度升高，热膨胀系数均增大。热膨胀系数随温度变化一方面与基体随温度变化有关，另一方面与复合材料内部的应力变化有关[13]，在复合材料制备的降温过程中，SiCp与 Al的热膨胀系数差异导致复合材料内部产生很大的应力，而这种应力在升温过程中会释放，有助于热膨胀系数的增加[14]；加热温度至150 ℃时，应力因素对热膨胀系数的贡献较明显。随烧结温度升高(580～600 ℃)，复合材料热膨胀系数降低。烧结温度低时(580 ℃)，由于Al合金未完全熔化，流动性较差，复合材料组织不够致密，使SiCp对Al基体膨胀的限制能力降低，热膨胀系数较大；烧结温度高时(600 ℃)，基体Al合金的流动使SiCp分布较均匀，复合材料组织致密，SiCp对基体铝合金的约束作用增大，复合材料热膨胀系数最小；但烧结温度为610 ℃时，复合材料的热膨胀系数较烧结温度 600 ℃时高，这是因为此时部分液相 Al合金挤出，SiCp发生偏聚，复合材料内部应力增大，故热膨胀系数增大。

图4 复合材料的热膨胀系数与烧结温度的关系Fig.4 Curves of CTE with different sintering temperatures

图5所示为不同烧结温度下热导率的测试结果，由图可知，SiCp/Al复合材料的热导率最高值为170 W/ (m·℃)。随烧结温度升高，其热导率逐渐升高，且热导率数值增大较明显，这是因为烧结温度提高，复合材料致密度提高，因复合材料的热导率对气孔等缺陷非常敏感，气孔的存在会大大降低复合材料的热导率，因此复合材料的热导率随烧结温度升高而增大[15]。但烧结温度越高(600～610 ℃)，热导率增大越缓慢，这是因为烧结温度为610 ℃时，部分液相Al合金在压力作用下挤出，使得烧结体SiCp实际体积分数变大，复合材料内部的界面面积增多，界面热阻增大，故热导率不会大幅度增大。

图5 复合材料的热导率与烧结温度的关系Fig.5 Curve of TC with different sintering temperatures

2.3 力学性能

对SiCp体积分数为60%的SiCp/Al复合材料进行抗弯强度测试，复合材料的抗弯强度均大于220 MPa，最高值为340 MPa，其结果如图6所示。从图中可看出，复合材料的烧结温度从580 ℃升到600 ℃时，抗弯强度增大较明显，而烧结温度从600 ℃升到610 ℃时抗弯强度降低。这是因为温度在580 ℃至590 ℃时，基体Al合金并未完全熔化，其流动性较差，气孔较多，致密度不高，导致抗弯强度较低；烧结温度为600 ℃时，Al合金完全熔化，流动性较好，带动了SiCp颗粒的流动，使SiCp分布均匀，此时复合材料的抗弯强度较大；而烧结温度为610 ℃时，Al合金的流动性进一步加强，在压力的作用下，易导致SiCp发生偏聚，从而使复合材料的抗弯强度降低。

图6 复合材料的抗弯强度与烧结温度的关系Fig.6 Relationship between bend strength and sintering temperature

图7所示为复合材料的断口形貌，可看出不同烧结温度的复合材料断口较平整，整体呈现脆性断裂特征，均以大颗粒SiCp的断裂为主。这是因为SiCp本身有较多的层错缺陷，易在低应力下断裂，且大尺寸SiCp较难协同基体的变形，易产生应力集中而导致SiCp开裂[16]。当烧结温度为580 ℃时(图7(a))，可以看出断口存在明显的缺陷，有少量孔洞，组织不够致密；当烧结温度为590 ℃时(图7(b))，孔洞减少，大尺寸SiCp呈脆性断裂；当烧结温度为600 ℃时(图7(c))，部分小尺寸 SiCp也呈现脆性断裂，复合材料组织致密，Al合金基体呈现塑性变形的特点，组织有韧窝产生；当烧结温度为610 ℃时(图7(d))，部分Al合金在压力作用下挤出，导致SiCp发生偏聚。

图7 复合材料的断口形貌Fig.7 Fracture surface morphologies of the composites

3 结论

1) 烧结温度600 ℃时，制备的60%SiCp/Al复合材料组织均匀且性能良好，室温至250 ℃平均热膨胀系数小于5.0×10-6℃-1，其热导率为165 W/(m·℃)，复合材料的抗弯强度最大为340 MPa。

2) 烧结温度对热膨胀系数、热导率及抗弯强度影响较大，复合材料的热膨胀系数随烧结温度提高而降低，但由于烧结温度为610 ℃时复合材料应力增大，其热膨胀系数比600 ℃高；烧结温度从580 ℃升高到600 ℃时，热导率增大较明显；从600 ℃升高到610 ℃时，因部分Al液挤出SiCp发生偏聚，复合材料内部的界面面积增多，界面热阻增大，热导率增大较缓慢。SiCp/Al复合材料断口主要呈现大尺寸 SiCp穿晶解理的脆性断裂特征，抗弯强度随烧结温度升高先增大后减小。

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(编辑 高海燕)

Effect of sintering temperatrue on microstructure and properties of SiCp/Al composites

LIU Xingdan1, YAN Fengyun1,2, ZHAO Hongjuan1, CHEN Tijun1, MA Yubai1
(1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Key Laboratory of Non-Ferrous Metal Alloys and Processing, Ministry of Education, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

The SiCp/Al composites were prepared by powder thixoforming with heating directly through the way of controlling the current. The microstructure was analyzed and the thermal physical and mechanical properties of composites were tested. The effects of sintering temperature on microstructure, the coefficient of thermal expansion, the thermal conductivity and the bend strength of the composites were also analysed. The results show that the pores in the composites reduce, the coefficient of thermal expansion decreases firstly and then increases, the thermal conductivity increases, and the bend strength increases firstly and then decreases with increasing of sintering temperature. The best sintering temperature is 600 ℃, at which SiCpare distributed uniformly and the microstructure is compact when SiCp/Al composites contain 60% SiCp; the coefficient of thermal expansion of the composites from room temperature to 250 ℃ is less than 5.0×10-6℃-1, the thermal conductivity is 165 W/(m·℃) at room temperature , the density is 3.01 g/cm3, and the bend strength is 340 MPa.

sintering temperature; thixoforming; SiCp/Al composites; coefficient of thermal expansion; thermal conductivity; bend strength

TB331

A

1673-0224(2017)01-20-06

国家自然科学基金(51564035)；甘肃省重大科技专项(ZX1406)；国家自然科学基金(51061010)

2016-01-20；

2016-04-20

阎峰云，教授，硕士。电话：0931-2976688；E-mail: yanfy@lut.cn