摘要: 综合论述了氮化铝颗粒增强铜( AlNp/Cu) 复合材料的制备方法、力学和热物理性能的最新研究进展。对铜基复合材料的制备工艺进行了分析，并提出了自己的建议。希望对铜基复合材料工艺改善和研制新型铜基复合材料有所帮助。
关键词: AlNp/Cu 复合材料; 制备方法; 力学性能; 热物理性能
随着现代电子技术的飞速发展，大功率电子元器件逐渐向着更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量方向发展。这必然会导致电路发热量提高，工作温度不断上升。一般来说，在半导体器件中，温度每升高 18 ℃，失效的可能性就增加 2 ～3 倍，并且芯片与封装材料之间由于热错配而引起的应力也会增加器件的故障率［1］。因此要求封装材料具有如下性能，良好的力学性能、耐腐蚀、良好的电绝缘性能、高的热导率、良好的热循环尺寸稳定性、热膨胀系数与硅相当、环保等［2］。
铜及其合金不仅具有优良的导热导电性、耐腐蚀、可焊接、可加工，而且价格适中，因而一直是电子封装领域的基础材料之一。但是铜合金的热膨胀系数高、密度大等问题已不能满足上述电子技术飞速发展对封装材料的使用要求［3］。氮化铝作为一种人工合成陶瓷材料，其理论热导率可高达 320 w/( m·K) ，线膨胀系数为 4． 84 ×10－ 6/ K，而密度仅为 3． 26 g/cm3［4］。将 AlN 颗粒与铜合金复合制成的AlNp / Cu 复合材料，作为一种新型金属基复合材料兼备了金属易加工、高导热、高导电的性能以及增强体轻质、低膨胀的性能，同时它还具有良好的尺寸稳定性、高的耐磨性和耐腐蚀性及性能的可设计性［2］。这一系列优点使它成为替代传统材料的最佳选择之一，并成为电子封装材料领域的研究热点。此外该材料还可应用于点焊电极［5］、耐磨涂层［6］和放射性同位素温差发生器［7］。笔者主要对 AlNp/Cu 复合材料最新研究进展进行了评述。
1 AlN-Cu 润湿性
A1N 与 Cu 在固态及液态下均不润湿，AlN-Cu 在 1 423K 时润湿角为 135°［8］。这将给复合材料的制备带来一定的难度。为解决润湿性问题，主要有对 AlN 进行表面改性和对合金进行合金化处理两种方法。
采用化学镀的方式在 AlN 颗粒表面镀铜以改善界面结合状况是其中的途径之一。AlN 颗粒表面化学镀铜的主要工艺流程为: 颗粒表面清洗( 粗化)→敏化→活化→化学镀→钝化。与未镀铜 AlNp/Cu 复合材料相比，镀铜 AlN/Cu复合材料呈现出更高的相对密度，使复合材料的导电及导热能力提高。同时界面结合强度提高使镀铜 AlN/Cu 的显微硬度及屈服强度明显提高［9］。
基体合金化处理引入 Si 元素能提高 AlN 和 Cu 之间的润湿性，其中质量分数 20 % 的 Si 元素可以使 1 473 K 时的润湿角由 138° 降低到 96°，但是 Si 会与 AlN 反应生成Si3N4，降低体系中的 AlN 含量［10］。
2 AlNp / Cu 复合材料制备方法
目前 AlNp/Cu 复合材料的制备方法主要分为液相法和固相法两类。液相法主要是压力浸渗法。而固相法又包括粉末冶金法、热压法以及等离子体烧结等。相比液相法，固相法由于不需要将金属熔化，因而是目前最常用的方法。
2． 1 压力浸渗法
2007 年，北京有色金属研究院采用液相压力浸渗法制备了体积分数最高达到 75 % 的铜基复合材料。其制备方法是: 增强体和黏结剂经注射成形工艺，制成预制件; 将铜基体直接放在该预制件上，经压力浸渗工艺制成复合材料［11］。该方法在小型零部件制造中使用较普遍。采用这种方法时，增强体预制件的制作及其相关的模具设计非常重要。对该制备方法的研究大量集中在改善工艺参数方面，如预制体的温度和浸渗压力等。由于该方法工艺简单，制品价格相对低廉，因此最适合于规模化的工业性生产。但该方法存在设备昂贵、工件尺寸受限制以及生产效率低等缺点。
2． 2 粉末冶金法
粉末冶金法作为制备陶瓷颗粒增强铜基复合材料的常用方法，主要包括以下几个步骤: 制粉、成形、烧结、成品加工等［12］。整个工艺过程中，AlN 与铜粉的混合是一个关键问题，混粉工艺参数的选择直接对混合粉末平均粒径以及最终复合材料致密度产生影响，而 AlN 分布的均匀与否直接影响着复合材料的整体性能［13］。文献报道，采用行星式球磨机混合 AlN 与铜粉时，混合粉末的粒径和形貌与混粉时间、转速及球料比直接相关。对于含20%体积分数的 AlN 和 Cu 混合粉末，采用转速 100 r/min，球料比 1︰1 工艺混合，混粉 8 h 后，粒径趋于稳定。提高转速或是球料比都可以缩短球磨时间，但是如果球料比过高会导致铜合金粉末发生塑性变形，影响复合材料性能［14］。另一方面，混粉过程中引入的杂质元素也将对复合材料的性能产生影响。LEE Kwang 等人的研究发现，硬脂酸助磨剂会使复合材料中的氧及碳含量升高，导致材料热导率下降。
因此多采用 H2还原混合粉末的方法去除氧等杂质元素［15］。粉末冶金法的主要缺点是流程复杂、烧结温度区狭小、耗时耗能、成本较高，但由于此工艺易于大规模生产，所制备材料性能比较稳定，故仍是当今制备铜基复合材料的一个重要方法［16］。该方法虽可使增强粒子分布均匀，但是采用此工艺制备的 AlN/Cu 复合材料，其致密度一般不是很高，一般需要二次处理来解决致密度问题。有学者研究表明，采用复压复烧处理，可以大幅提高材料的性能［14，17，18］。
而将颗粒增强复合材料进行内氧化处理，使氧化物在增强粒子处形核长大，提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度。其中形成的内氧化物体积膨胀，这样既可提高其致密化程度，又可改善相界面的结合强度，也可使复合材料的综合力学性能得到提高［19］。
2． 3 放电等离子体烧结法
放电等离子体烧结( Spark Plasma Sintering，简称 SPS)技术是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。SPS 具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。SPS 的工艺优势十分明显: 加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件［20］。
但是由于采用该方法制备的 AlNp/Cu 复合材料一般致密度都较低，导致复合材料热导率远低于理论计算值。体积分数分别为 40 % 、60 %和 80 %的 AlN/Cu 复合材料，研究发现在 200 ℃ 时热导率仅为 62． 7 Wm－ 1K－ 1、82． 2 Wm－ 1K－ 1和 95． 1 Wm－ 1K－ 1［21］。
2． 4 复合电镀法
复合镀技术就是在电解质溶液中加入一种或数种不溶性的固体颗粒，使在基质金属离子在电沉积的被还原到阴极表面的同时，将不溶性的固体颗粒均匀而且弥散地嵌入到金属基镀层中的方法［22］。利用酸性镀铜的基本原理，制备出 AlN 和 Cu 的复合镀层，在不降低材料导热能力的同时，可提高基体的硬度、耐腐蚀和耐磨性能。该方法可以广泛地应用到材料的表面处理中( 如结晶器铜板和换热器的表面处理)［23］。
3 AlNp / Cu 复合材料物理性能
AlN 陶瓷颗粒加入铜基体中能够起到提高基体材料的软化温度和降低热膨胀系数的作用，且随着颗粒含量的增加复合材料的软化温度进一步提高，同时热膨胀系数进一步降低［24］。同样复合材料热导率也会随着 AlN 颗粒体积分数增加而降低［18］，但是热导率会随着使用温度升高而升高，而复合材料热膨胀系数计算则可用混合定律［25］。
与纯铜相比，AlNp/Cu 复合材料的耐磨性能显著提高，随着氮化物颗粒含量增加，复合材料的磨损率先下降而后趋于稳定; 载荷与滑动速度提高引起的热效应使其复合材料的磨损率增高［26］。
4 展望
随着科学技术的飞速发展，对铜基复合材料的需求将会越来越大，性能要求越来越高。目前，这类材料的性能还偏低，生产成本偏高，不易批量生产。因此，进一步提高这类材料的性能，降低生产成本，完善生产工艺，适应大规模工业化生产是研究的方向之一。再者，对铜基复合材料的基体与增强相之间的界面等进行基础性研究，可为铜基复合材料的开发提供有力的理论根据。所以借助其他复合材料等的研究成果，调整、移植到铜基复合材料的研制和制备，也已引起国内外材料学者的关注。就整体而言，这类材料的开发有待进一步努力。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
