颗粒增强铝基复合材料微结构与热传导关联研究_邹爱华.caj

颗粒增强铝基复合材料微结构与热传导关联研究
作者 : 邹爱华
学位授予单位 : 南京航空航天大学
学位名称 : 博士
导师姓名 : 周贤良
学位年度 : 2016
关键词 : 颗粒增强铝基复合材料；微结构；热导率；界面热传导；导热模型；有限元模拟
摘要 : 随着微电子、光电子设备的集成化和小型化,芯片级的热功率密度急剧增加,因而如何使电子器件及时而有效地散热,成为新型封装材料迫切需要解决的问题。作为新型封装用的颗粒增强铝基复合材料,虽然具有复合材料可设计性的优点,但为保证与半导体器件更接近的热匹配性,需要引入较高含量的颗粒,而颗粒与基体相容性差,需在较高温度条件下进行制备,这样在复合材料中将会形成非常复杂的微观结构,这给复合材料宏观性能的调控设计及可预测性带来了很大的难度。因此,对复合材料进行微观结构的合理设计,并揭示其微观结构与其等效性能之间的关系是研究的重要课题。为此,本文以SiCp/Al复合材料为研究对象,采用实验、有限元模拟及理论分析相结合的方法,对影响复合材料热传导的典型微结构(组分、界面相、孔隙)的调控、微结构与热导率的宏微观关联和导热预测模型等问题进行了系统深入的研究。主要研究内容及结果如下:(1)系统研究了复合组分(基体本征热导、颗粒本征热导、颗粒与基体所形成的相对结构)的调控、表征及热导率随它们的变化规律。研究表明:a)采用陶模无压渗透法制备复合材料时,颗粒含量调节范围较小,单一粒径在48%-52%、双粒径在50%-63%的范围;而采用预制坯体无压渗透制备可通过调节造孔剂含量,达到体积分数在35%-62%的范围变化。b)采用弥散度和拓扑方法较好地表征了增强体在基体中弥散、互穿、互连的三种显微结构。c)当基体中加入较高含量的颗粒时,电导率出现了明显下降,且电阻率随节点的变化而变得杂乱无规律,但热导率值变化不大,且复合材料热导率随基体本征热导或颗粒本征热导的变化不再呈线性变化;当颗粒含量较高时,颗粒在基体中的相对结构对热导率的影响不明显,但当颗粒与基体形成网络互穿结构时,能较显著地提高抗弯强度和降低热膨胀系数。(2)系统研究了复合界面相(界面相结合、种类、厚度和分布比例)的调控、表征及热导率随它们的变化规律。研究表明:a)当基体中添加Mg、Si或提高渗透温度时,可以改善Al/SiC体系的润湿结合;颗粒表面镀镍、预氧化处理或在基体中添加Si时能有效抑制有害界面产物A14C3的形成。b)采用颗粒化学萃取和场发射扫描相结合的方法能较好地表征界面相的形状、分布及大小,在无压渗透法制备过程中,除镀层外其界面反应相基本呈不连续分布。c)当界面相与基体、颗粒结合不好时,其对热导的阻碍作用相当于包覆了不同厚度的空气薄层,空气薄层约20nm时,界面相层几乎转变成为绝热层;当界面相改善结合且呈连续分布时,即充当界面层的作用,当所包覆的界面层热导率过低时,即使大幅度提高颗粒的热导,也难以发挥颗粒的高导热性能;当界面相呈不连续分布时,无论界面相本征热导率高或低,对复合材料整体热导率影响都较小,其对热导的贡献主要为发生了轻微界面反应而改善了界面结合,并借助弹塑性力学方法、润湿角测定及第一性原理计算对界面应力及黏着功进行了定量表征,进一步解释了发生轻微反应界面相呈不连续分布时其对热导的贡献,并总结了改善界面相结合的具有途径。(3)较深入研究了含界面相复合材料界面热导的表征及界面相对界面热导的影响。针对含界面相的两种不同结合界面,提出了其界面热导的表征计算方法;采用材料模拟及飞秒激光抽运探测、扫描热显微镜、激光导热仪及热阻测试仪等测试手段实验测得了界面相不同种类、不同结合、不同分布时和不含界面相时的界面热导值。研究表明:a)界面热导值对界面相结合条件非常敏感,其调控的数量级跨度大(10~3~10~8),当固定有效界面长度为2μm时,界面的等效热导率可在0.002~200W/m.K范围内变化,其数量级跨度为5,几乎与材料整体热导率的调控数量级(6以内)相当,这反映了界面热导的可调控空间大。b)当界面相改善界面结合且呈连续分布时,界面热导受界面相本身热导影响较大,当所含界面相本身热导较高时,其界面热导数量级为10~8,几乎与不含界面相且界面结合良好时的数量级相当,反之,则界面热导出现明显下降;当界面相呈不连续分布时,界面热导的数量级相差较小(10~6~10~7)。c)当界面相不利于界面结合时,界面热导较低,其数量级范围为10~3~10~5。(4)系统研究了复合孔隙(孔隙率、孔径大小和孔隙形状)的调控、表征及热导率随它们的变化规律。研究表明:a)采用陶模、预制件无压渗透两种方式制备复合材料时,改变其渗透温度与时间,可以调节孔隙率(0.7%~9.4%)和平均孔径的大小(21.4~49.7μm),其中,通过预制件方式调节的孔隙和孔径分布更均匀,且可改变此方式中造孔剂的种类,从而实现更大尺径范围(46.5~96.2μm)孔隙及孔的形状的调节。b)通过超声显微检测及显微图像分析相结合的方法,可以较好地表征孔隙参数。c)复合材料热导率随孔隙率的增加下降较明显,而受孔径大小和孔形状的影响较小;模拟过程中发现,因孔隙的存在,其热流绕流现象明显,且在孔隙与材料交界的上下侧有“热壅塞效应”,出现了局部热流密度峰值,且当孔隙较多并分布密集或孔隙的形状较不规则(如含尖角)时,将会出现与传热方向相反的热通量,这对材料的热导率影响较大;当孔隙率大于2%时,热导率模拟值比Maxwell、MEMA模型计算值更接近于实验值。(5)较深入研究了综合各微结构要素的复合材料导热修正模型。研究侧重从材料的实际微结构出发,结合复合材料的微观力学模型,综合了高体积含量颗粒间的相互作用、界面相、孔隙等微结构参数,对导热DEM模型进行了修正。研究表明:模型修正值与实测值符合较好。以上研究结果可为复合材料热性能控制、热界面材料的设计及导热性能的预测提供一定的理论指导和技术支撑,也可丰富复合材料界面热传导的相关理论。