颗粒增强铝基复合材料微结构与热传导关联研究

随着微电子、光电子设备的集成化和小型化，其发热的热流密度急剧增加，作为新一代电子封装应用的SiCp/A1复合材料，传热问题愈来愈引起人们的关注。本项目以SiCp/Al复合材料为研究对象，通过对复合材料的组分（颗粒纯度、大小、形状、含量及分布、基体合金及合金添加元素），界面（界面种类、界面厚度），不同孔隙度等影响因素进行调控，从而实现复合材料热性能的控制；宏观分析复合材料热导率随组分、界面、孔隙度的变化规律及影响机制，揭示其关联性；微观分析界面特征与界面热传导的内在联系，并采用有限元计算机模拟界面局部区域的温度场和热流分布，对其不同界面状态的界面热传导进行评价和分析，在此基础上建立复合材料界面热传导的模型。通过以上研究，为制备高导热率SiCp/Al复合材料提供理论指导,同时可以丰富复合材料界面热传导的相关理论。

颗粒增强铝基复合材料具有制备工艺灵活、热物理性能优异及可设计性等优点，用其作为新型电子封装材料应用前景广阔。复合材料热导率作为封装最重要的性能指标，因增强体颗粒的大量引入，存在微结构复杂（如组元本身导热差异、组元间相对比例、界面状况、缺陷等），从而存在复合材料热性能设计、可预测性困难及导热机理复杂等问题。因此，开展微结构调控及微结构与热传导关联研究，是实现复合材料热性能控制，理解导热机理的关键问题。为此，本基金项目完成了下列研究工作：1）开展了微结构的调控研究，采用无压渗透法制备了不同组分、界面、孔隙特征的复合材料；2）开展了微结构的表征及热导、界面热导测试研究，其中在界面表征中采用化学萃取结合场发射扫描方法获得了不同的界面相分布及形貌，对较理想、非理想界面等进行了界面热导表征。3）开展了整体热导率随组分、界面、孔隙的变化规律分析，分析发现随着基体或颗粒本身的热导的提高，复合材料热导率呈非线性增加，不再遵循混合法则，当颗粒弥散分布时，铝为连通导热通道，颗粒分布及形状对热导的影响较小，颗粒含量和尺寸影响较为明显些；当界面相呈现不连续分布时，对复合材料整体热导率影响较小；当界面相呈连续分布时，即充当界面层的作用，复合材料热导率随着界面层热导率的增加而增大, 但增加的幅度由快变慢，复合材料热导率随界面层厚度的变化取决于界面层厚度 t 与颗粒粒径 a 的比值, 当 t/a 很小或 t/a 较大时, 热导率随界面层厚度的变化很小, 当 t/a 较小时, 热导率随界面层厚度的变化则与界面层热导率有关；复合材料热导率随着孔隙率的增大而逐渐下降，且由快速下降逐渐转变为缓慢下降。当孔隙形貌较不规则（如含尖角）、孔隙较多且分布杂糅时，会出现与传热方向相反的热通量，这对复合材料的热导率影响较大。4）开展了界面热导随界面特征的变化规律分析， 分析发现在较理的界面状态下，界面热阻为10-9数量级；润湿结合时比不润湿界面的界面热阻明显改善，当反应新相呈连续分布时，界面热阻随界面相层本身热阻有相同变化规律；5）提出了适合高体分颗粒增强金属基复合材料热导率预测模型，模型与实测值符合较好；6）开展了综合性能优异复合材料基片制备，通过工艺的优化与总结，制备出了高导热、低膨胀、轻量化SiCp/Al复合材料基片。这将对复合材料热性能的预测及加深对复合材料宏观及微观的热传导机理有着重要的理论和实际意义。