金刚石-铝复合材料的PAS烧结开题报告
2020-02-10 22:40:01
1. 研究目的与意义（文献综述）
电子封装基片材料是一种底座电子元件,用于承载电子元器件及其相互联线,并具有良好的机械性能、稳定的化学性能，易于加工的基体。随着现代科学技术的发展，电子元器件的复杂性和密集性越来越高，发热量越来越大。若封装基片不能及时散热将影响电子设备的运行状况和寿命，温度分布不均匀也能导致电子器件噪声增加，所以散热问题成为电子封装领域面临的主要瓶颈之一。
本课题采用等离子活化烧结法制备金刚石/铝材料，对社会发展来说，金刚石/铝复合材料作为第四代电子封装材料，是如今最具有潜力的电子封装材料之一。因此，研究并制备出高性能的金刚石-铝复合材料，使其满足工业化要求，将对电子封装基片材料具有重大意义。铝、铜、银都是导热性能良好的金属材料 , 基于密度及成本的考虑 ,铝是金刚石/金属体系中金属基体的最佳选择。随着金刚石产业的不断发展，其生产成本不断降低，使得人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能。电子元器件的集成度和发热量越来越高，温度过高已成为影响器件精度和造成器件失效的重要因素之一，制备出具有良好散热性的封装材料可以延长元器件寿命，减少电子器件大量消耗对环境造成的污染。实验所用原料中无有毒物质，较为安全，实验过程应遵守实验室规章制度，谨慎进行实验。
制备过程中的主要问题是保证金刚石颗粒与铝基体具有良好的界面结合。目前其制备方法主要有挤压铸造法、浸渗法和放电等离子烧结法等。挤压铸造[2-3]又称液态模锻，是一种使液态或半固态金属在高压下充型和凝固的精确成形技术。beffort 等[4-5]采用挤压铸造法制备 diamond/al-si 复合材料，由于两者之间仅仅是机械结合，其热导率仅为130 w/(m·k)，挤压铸造技术具有工序简单、节约材料及制件组织细密等优点，是一种节能型液态成形技术。但挤压铸造技术存在挤压铸件质量轻，质量不稳定，难以制造复杂结构零件等缺点。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
金刚石有着优异的热物理性能，其本身具有导热率，通常超过2200W /（m·K），热膨胀系数为0.8×10－６/K[1]，可将金刚石颗粒加入高导热金属基体中制备金刚石-金属复合材料。随着人造金刚石技术的成熟，生产成本大幅下降，使得在复合材料中大规模应用人造金刚石成为可能。当金刚石与金属基体之间良好结合时，可以最大程度利用金刚石优异的热物理性能。铝基复合材料具有比刚度、比强度高等特点，而且线膨胀系数可调、导热性能好、成本低、密度小，作为金刚石-金属体系中金属基体的选材具有很大的开发应用潜力。
本课题采用等离子活化烧结法（PAS）制备金刚石/铝复合材料，研究金刚石体积分数和烧结温度对复合材料热导率的影响，采用SEM、XRD等测试手段表征复合材料的结构和性能。
2.2 研究目标
金刚石具有高导热能力，在电子封装领域应用广泛。但金刚石难致密，本课题通过与金属复合，改善二者界面，以期制备出高性能金刚石-Al复合材料。
2.3 拟采用的技术方案及措施
实验采用金刚石颗粒（ρ=3.51g/ml）、Mg2Si（ρ=2.35g/ml）、铝粉（ρ=2.697g/ml），Mg2Si体积分数为8%，金刚石与铝粉分别按不同的体积比混合，得到四组数据研究金刚石体积分数对复合材料热导率的影响。
原料质量计算
| 制样体积（cm3） | 组别 | 原料 | 体积分数 | 密度（g/cm3） | 质量（g） | 混合粉质量（g） |
| 0.9425 | 1# | Al | 20% | 2.697 | 0.508 | 3.068 |
| C | 72% | 3.51 | 2.382 | |||
| Mg2Si | 8% | 2.35 | 0.177 | |||
| Mg2Si C | 80% | 3.394 | 2.56 | |||
| 2# | Al | 22% | 2.697 | 0.559 | 3.052 | |
| C | 70% | 3.51 | 2.316 | |||
| Mg2Si | 8% | 2.35 | 0.177 | |||
| Mg2Si C | 78% | 3.391 | 2.493 | |||
| 3# | Al | 24% | 2.697 | 0.61 | 3.037 | |
| C | 68% | 3.51 | 2.250 | |||
| Mg2Si | 8% | 2.35 | 0.177 | |||
| Mg2Si C | 76% | 3.388 | 2.427 | |||
| 4# | Al | 26% | 2.697 | 0.661 | 3.022 | |
| C | 66% | 3.51 | 2.183 | |||
| Mg2Si | 8% | 2.35 | 0.177 | |||
| Mg2Si C | 74% | 3.385 | 2.361 |
使用全方位行星式球磨机混合均匀。球磨机转速为250r/min，混粉时间为4h，在烘箱中干燥12h，过80目筛。将混合粉末装入pas系统的石墨模具中，对系统抽真空后，在40MPa压力下充入氩气，以100℃/min升温，分别在1300℃、1350℃、1400℃、1450℃条件下烧结，研究烧结温度对复合材料热导率的影响。
热导率数据
| 组别 温度 | 1300℃ | 1350℃ | 1400℃ | 1450℃ |
| 1# |
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| 2# |
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| 3# |
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| 4# |
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3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4周：按照设计方案，进行实验准备，完成原料的相关计算，学习实验仪器的使用，完成英文文献翻译。
第5-12周：进行实验，研究助剂配比、含量，烧结温度等因素对复合材料致密化的影响，采用sem、xrd等测试方法表征复合材料的结构和性能。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] farzin m,ethan m l, jim d, david k, wayne j, kashif n, glenn c. thermo-physicalproperties of diamond nanofluids: a review[j]. international journal of heatand mass transfer, 2019, 129(2):1125#8722;1126.
[2] 齐丕骧. 国内外挤压铸造技术发展概况[j].特种铸造及有色合金, 2002(2): 20#8722;23.
[3] 唐多光, 张金龙, 徐张翼. 挤压铸造原理及缺陷分析[j]. 特种铸造及有色合金, 2003(1): 43#8722;45.
