1 前言

电子封装材料一般需要与半导体器件或陶瓷基板相匹配的热膨胀系数、高的热导率和优异的力学性能[1，2]，铜基复合材料及其低的热膨胀系数、高的热导率、优良的导电性、高温性能和加工性能吸引着封装材料业的目光。目前，常用电子封装用铜基复合材料主要有AL2O3/Cu、SiC/Cu、W/Cu、Mo/Cu等[3]。根据混合定律（ROM），为了获得与半导体或陶瓷基片材料相匹配的热膨胀系数，必须要求铜基复合材料具备高体积分数的增强相。当增强相体积分数较高（＞40％）时，采用常规粉末冶金法[4，5]，制备的复合材料，不仅加工性能差而且致密度低，这对复合材料的物理和力学性能，尤其是导电、导热性能有着严重的影响，为了获得高致密低膨胀的复合材料，笔者采用挤压铸造工艺制备了增强相体积分数为55％、不同颗粒粒径的SiCp/Cu复合材料、并对其微观组织、热物理性能和力学性能进行了研究。

2 材料制备与实验方法

2.1 材料制备

本研究中，基体选用高导热的工业纯铜T3（Cu≥99.7wt.％），增强体为磨料级SiC颗粒，其体积分数为55％。颗粒粒径分别为10μm、20μm、63μm；基带T3和SiC颗粒的基本性能如表1所示。SiCp/Cu复合材料采用挤压铸造技术制备[6]。首先，将SiC颗粒装入模具，制成一定形状和体积分数的预制块，并将预制块在800－900摄氏度下保温，然后，将熔融的铜液倒入模具中，随后采用机械加压方法使铜液浸渗入预制块中，保温5min后脱模，得到SiCp/Cu复合材料。

2.2 实验方法

SiCp/Cu复合材料的光学显微组织采用OLYMPUS PMG3照相机观察，可以看出：SiC颗粒分布均匀，无团聚现象；复合材料组织均匀、致密，无气孔、夹杂等缺陷。采用排水法测量SiCp/Cu复合材料的密度，其测试原理为阿基米德定律。复合材料的热膨胀系数采用DIL402型热膨胀测试仪（德国NETZSCH公司）测定，试样尺寸Φ6mm×25mm，升温速率为5摄氏度·min－1。复合材料的热导率采用TCT416型热导率测试仪（德国NETZSCH公司）测定，测试温度范围为20－60摄氏度，试样尺寸为Φ6mm×25mm（±0.3mm）。复合材料的三点弯曲试验在Instron5569万能电子拉伸试验机上进行，压头位移速度为0.5mm·min－1，试样尺寸为：3mm×4mm×36mm，跨距30mm。

3 结果与分析

3.1 密度和致密度

我们测试了三种不同的颗粒粒径的SiCp/Cu复合材料的密度，其中，63μmSiCp/Cu、20μmSiCp/Cu、10μmSiCp/Cu复合材料的密度分别为：5.62g·cm－3，5.49g·cm－3，5.58g·cm－3。根据理论密度计算出复合材料的致密度，结果表明：采用挤压铸造技术可以制备高致密度的SiCp/Cu复合材料。其中，63μmSiCp/Cu复合材料致密度值为97.8％，与10μm SiCp/Cu复合材料的致密度（97.0％）值较为接近，只有20μmSiCp/Cu复合材料的致密度值（95.5％）较低。

3.2 热物理性能

3.2.1 热膨胀性能

表2为三种不同颗粒尺寸的SiCp/Cu复合材料在20－100摄氏度的平行线膨胀系数值。可以看出，10μm与20μmSiCp/Cu复合材料的热膨胀系数较为接近，而与63μm SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数差别较大，且随着颗粒尺寸增加，复合材料的热膨胀系数也相应增加。

本文对颗粒增强金属基复合材料的热膨胀系数进行了理论预测，主要通过混合定律（ROM），Turner模型和Kerner模型[7，8]，可以看出，这几种模型预测值和实测值之间存在一定的差异，ROM模型和Kerner模型预测值均大于实测值。其中Kerner模型与63μmSiCp/Cu复合材料的热膨胀系数较为接近；Turner模型预测值最低。Turner模型中只考虑了材料中存在等静压力的情况，而实际上复合材料的中的内应力是很复杂的，其理论计算结果往往比实测值要小得多，ROM模型忽略了基本对颗粒的变形的约束作用，而实际上复合材料中这种基体对颗粒的变形约束作用是很大的，其理论计算结果往往比实际值要大，Kerner模型考虑到了组元各相中同时存在的剪切和等静压力的情况，它能较好地描述复合材料内部实际的应力情况，其理论计算结果与实际值最为接近。

以10μm的SiCp/Cu复合材料退火处理后的平行线膨胀系数为例，对比分析退火处理对复合材料热膨胀性能的影响，如图1所示，其中，退火工艺为：700摄氏度真空退火，保温1.5h，随炉冷却。从图中可以看出，退火处理可以有效降低SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数。G.H.Wu[9]等人研究结果表明：复合材料的热膨胀系数与基于ROM的混合体的热膨胀系数、基体中的残余应力及升温过程中的热错配应力密切相关。由于退火处理减小了复合材料内部的残余应力，导致复合材料的热膨胀系数显著降低，且材料的加工性能也得到了显著的改善，这为SiCp/Cu复合材料在电子封装领域的大规模生产应用奠定了基础。

3.2.2 导热性能

图2为SiCp/Cu复合材料的热导率测试值。可以看出，复合材料铸态时的热导率随着增强体颗粒尺寸的增加而升高。其中，增强体粒径为63μm的SiCp/Cu复合材料的热导率值最高。这是因为颗粒尺寸的减小带来了大量的界面，使得界面热阻对热导率的影响增大。以往的研究[10，11]表明：大颗粒增强的复合材料的致密度通常都较低，其严重地影响了材料的导热性能。因此，在调整材料导热性能和增强体颗粒粒径方面需要进行大量的研究和探索。

同时还可以看出，退火处理后材料的导热率要比铸态时稍高一些，但差值不大。由于集体和增强体颗粒的热物理性能的差异，在复合材料铸造后的快速冷却过程中容易产生大量的应力。而退火处理正好可以有效降低复合材料内部的残余热应力，有利于增加材料的热导率。

3.3 力学性能

电子封装材料不仅需要低的热膨胀系数和高的热导率，而且需要足够的强度来保证电子元器件在安装、运输和使用的过程中不被破坏。本文中的SiCp/Cu复合材料在室温时具有优异的力学性能，如表2所示，可以看出，铸态时复合材料的弯曲强度随着颗粒尺寸的减小而增加，10μmSiCp/Cu复合材料的室温弯曲强度达到419.7MPa，这与本文制备的材料的高致密有关，退火处理后，材料的弯曲强度较铸态时有所降低。

图3为SiCp/Cu复合材料的弯曲端口SEM照片，从中可以看出，铜基体表现为韧性撕裂，而SiC颗粒为脆性断裂。大量的SiC颗粒呈现为穿晶断裂的状态，同时还有少量的颗粒被拔出，SEM观察表明了SiC－Cu界面结合良好，这有利于增强材料的弯曲强度。

从表3还可以看出，随着颗粒尺寸的增加，SiCp/Cu复合材料的弹性模量在铸态时和退火处理后均降低。其中，退火处理后10μm和20μmSiCp/Cu复合材料的弹性模量较铸态变化不大，但是63μmSiCp/Cu复合材料的弹性模量下降很大。因此，需要大的数据来验证结果，其相关机理有待进一步研究[12－14]。

4 结论

（1）采用挤压铸造可以制备组织均匀、致密的电子封装用SiCp/Cu复合材料；

（2）随着SiC颗粒尺寸的减小，复合材料的平行线膨胀系数热导率均降低，退火处理可以降低复活材料的热膨胀系数，同时提高了材料的热导率；

（3）室温时复合材料具有高的弯曲强度和弹性模量，退火处理后材料的弯曲强度轻微下降，但弹性模量变化不大