挤压铸造法制备高致密Mo/Cu及其导热性能

陈国钦, 朱德志, 占 荣, 张 强, 武高辉

(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001)

关键词: Mo/Cu复合材料; 致密度; 热导率 中图分类号: TB331

文献标识码: A

Highly dense Mo/Cu composites fabricated by squeeze casting and their thermal conduction properties

CHEN Guo-qin, ZHU De-zhi, ZHAN Rong, ZHANG Qiang, WU Gao-hui

(School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: Mo/Cu composites with Mo volume fractions of 55%, 60% and 67% were fabricated by the patented squeeze-casting technology, and the microstructures and thermal conduction properties of the Mo/Cu composites were investigated. The results show that Mo particles are homogeneous and uniform, and the Mo/Cu interfaces are clean and free from interfacial reaction products or amorphous layers. The relative density of the Mo/Cu composites is higher than 99%. The thermal conductivity of Mo/Cu composites is 220-270W/(m·K), which can meet the demands of high thermal conductivity for electronic package. The thermal conductivities of Mo/Cu composites decrease with the increase of Mo volume fraction. The ROM model can well predicate the thermal conductivities of 55%Mo/Cu composites, while the values calculated by Maxwell model and H-M Model agree well with the thermal conductivities of 60% and 67%Mo/Cu composites.

Key words: Mo/Cu composites; density; thermal conductivity

   Mo/Cu复合材料具有优良的导热、 导电性能以及可设计的热膨胀系数, 近年来在大规模集成电路和大功率微波器件中作为基片、 嵌块、 连接件和散热元件得到了迅速的发展^[1-3]。 随着电子器件和产品向大功率、 高性能, 小型化方向发展, 对Mo/Cu复合材料的综合性能要求越来越高, 主要表现在高致密度(>98%)和低气体含量等方面, 其中致密度是影响材料热导率和电导率的关键因素^[4-7]。 传统的熔渗烧结和液相烧结制备Mo/Cu复合材料已很难满足高致密度的要求, 采用化学活化烧结(添加Ni、 Co等活化烧结元素)和机械合金化(粉末高速球磨)等制备技术可加速致密化过程, 提高致密化程度, 但由于活化剂和球磨介质等杂质的引入, 严重影响了Mo/Cu复合材料的导热和导电性能^[8-11]。 因此, Mo/Cu复合材料的制备工艺必须要有一个新的飞跃。

本文作者采用工艺简单和成本较低的专利挤压铸造方法^[12], 制备了致密度为99%以上, 体积分数为55%, 60%和67%的3种Mo/Cu复合材料, 并对材料的微观组织和导热性能进行了测试与分析。

1 实验

1.1 Mo/Cu复合材料制备

选取粒径为3μm的金属Mo颗粒为增强体, 选用导热性较好、 成本较低的普通商业纯铜T3作为基体合金, 其化学成分(质量分数)为99.7%Cu, 0.01%As, 0.05%Fe, 0.2%Ni, 0.01%Pb, 0.05%Sn, 0.1%O, 杂质总和小于0.3%。 Mo颗粒和T3纯铜的基本性能如表1所列^[13]。

Mo/Cu复合材料采用自排气挤压铸造专利技术制备。 其工艺流程: 首先将一定粒径和含量配比的Mo颗粒装入模具, 制成体积分数分别为55%、 60%和67%的颗粒预制件, 并于1173~1373K保温, 再将铜液于1473~1673K浇铸, 迅速加压至75MPa, 保温5min后脱模, 得到Mo/Cu复合材料。 具体制备工艺流程如图1所示。

1.2 复合材料性能测试

铸态复合材料组织在OLYMPUS PMG3光学显微镜和Philips CM-12透射电镜(TEM)上观察。

性能测试前, 将材料于973K保温1.5h, 于真空炉中冷退火处理。 采用排水法测试复合材料的真实密度, 其与理论密度的比值即为复合材料的致密度。 复合材料热导率测试采用德国Thermal Diffusivity NETZSCH LAF 427 Analysis激光导热分析仪, 样品尺寸为d12.7mm×3.0mm, 两端面用金相砂纸磨光, 测试温度为298~773K, 升温速度为5K/min。

图1   Mo/Cu复合材料的制备工艺

Fig.   Fabrication process of Mo/Cu composites

2 结果与分析

2.1 微观组织

Mo/Cu复合材料的显微组织如图2所示。 由图2可看出, 复合材料的组织均匀、 致密, 无杂质和气孔。 由于采用了自排气挤压铸造专利技术, 在制备过程中可有效去除材料中的气体, 获得高致密度的复合材料。 这对于电子封装复合材料是很有利的, 致密的组织不但可以提高复合材料的热导率, 还能提高材料的力学性能。

界面及界面效应的存在是影响复合材料性能发挥的重要因素。 图3所示为60%Mo/Cu复合材料界面的TEM像。 由图3可看出, Mo/Cu界面干净、 平滑, 不存在任何界面反应物和非晶层, 也没有观察到Mo颗粒的溶解现象。

2.2 致密度

图4所示为Mo含量对Mo/Cu复合材料致密

表1   Mo和Cu的基本性能

Table 1   Properties of Mo and Cu

图2   Mo/Cu复合材料的金相组织

Fig.2   Microstructures of Mo/Cu composites

图3   Mo/Cu复合材料界面的TEM像

Fig.3   TEM image of Mo/Cu composite interfaces

度的影响。 由图4可看出, 随着Mo体积分数的增加, 复合材料的致密度呈下降趋势。 这是由于Mo含量的增加, 一方面使Mo颗粒之间的间隙减小; 另一方面导致Mo颗粒间相互接触的界面增加, 易产生Mo团聚, 且两者均增加了Cu向Mo颗粒预制块内部浸渗的难度。 但本研究3种复合材料的致密度均为99.2%~99.5%, 完全符合电子封装对材料高致密性(>98%)的要求。

图4   Mo/Cu复合材料致密度与Mo含量的关系

Fig.4   Relationship between volume fraction of Mo and relative density of Mo/Cu composites

2.3 热导率

3种不同体积分数Mo/Cu复合材料热导率与温度的关系如图5所示。 从图5可看出, Mo/Cu复合材料热导率都超过200 W/(m·K), 完全满足电子封装对材料高导热的要求。 且复合材料的热导率随Mo含量的增加而降低, 但随着温度的升高, 复合材料热导率变化不大。

图5   Mo/Cu复合材料的热导率随温度变化的关系

Fig.5   Relationship between thermal conductivity of Mo/Cu composites and temperature

颗粒增强复合材料的热导率不仅取决于各组成相的热导率和体积分数, 而且还与材料的致密度、 界面状态以及颗粒的形状和分布均匀性有一定的关系。 目前, 计算复合材料热导率的理论模型主要有以下3种^[14-16]:

1) 混合定律(ROM):

λc=λm·xm+λp·xp

2) 麦克斯韦(Maxwell)研究了两相和多相混合物的导热性能, 得到了热导率的表达式为

3) Hatta和Taya等基于Eshelby等效夹杂理论, 综合考虑了不同增强体形状的影响, 得到了复合材料有效热导率的一般形式。 对于颗粒增强复合材料, 其热导率计算公式为

式中 λ为热导率; x为体积分数; 下标 c、 m、 p分别代表复合材料、 基体和颗粒增强体; r为基体热导率与增强体热导率的比值。

一般地, 基体Cu的热导率为398W/(m·K), Mo颗粒的热导率为142.3W/(m·K)。 通过各模型计算得到复合材料热导率, 并与实测值进行比较, 结果如表2所列。

表2   复合材料热导率的计算值与实测值

Table 2   Predicted and experimental thermal conductivities of Mo/Cu composites

从表2中可看出, 尽管Maxwell 模型与H-M模型的出发点不同, 但预测结果都很相近。 且与实测值比较可以发现, 上述两模型的计算值与60%和67%Mo/Cu复合材料热导率的实际值相符; 而55%Mo/Cu复合材料的热导率实测值与混合定律较为接近。 本研究中, 实测值与理论值较为接近的主要原因是由于复合材料组织均匀, 致密度高, 且Mo/Cu界面干净、 平滑, 不存在任何界面反应物和非晶层。 这两者都是提高颗粒增强金属基复合材料热导率的主要因素。

3 结论

1) 采用挤压铸造方法可以制备出Mo颗粒分布均匀、 致密度为99%以上高体积分数的Mo/Cu复合材料, 且Mo/Cu界面干净、 平滑, 不存在任何界面反应物和非晶层。

2) 60%和67%Mo/Cu复合材料室温时的热导率分别为227.1W/(m·K) 和223.8W/(m·K), 其实测值与Maxwell模型和H-M模型的计算值吻合; 55%Mo/Cu复合材料的热导率高达276.2W/(m·K), 与混合定律计算值较为接近。

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(编辑李艳红)

基金项目: 哈尔滨市科技攻关计划资助项目(2005AA5CG041)

收稿日期: 2005-07-15; 修订日期: 2005-08-20

作者简介: 陈国钦(1978-), 男, 博士研究生

通讯作者: 陈国钦, 电话: 0451-86412164; E-mail: chenguoqin@hit.edu.cn