第三代半导体互连材料与低温烧结纳米铜材的研究进展

半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心,随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要,以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大,导致摩尔定律正逐渐达到极限,先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向,其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案,具有低成本、高可靠性和可扩展性,近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别;然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述,主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响;最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点,并展望了未来的发展方向,以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。

粉末冶金多孔铝的研究进展

粉末冶金多孔铝材料具有质轻、耐腐蚀、孔隙均匀可控、比表面积大、近净成形等优点,可用于含油轴承、过滤器、热管毛细芯、铝空气电池电极、金属电极集流体、吸能材料、催化剂载体等产品,在航空航天、电子、新能源等领域具有很大的应用潜力。由于铝活性较高,铝粉表面极易形成一层致密的氧化膜,阻碍烧结扩散的进行,严重影响粉末冶金多孔铝的性能。本文综述了烧结助剂和烧结工艺对粉末冶金多孔铝表面氧化膜破除机理的研究现状,重点介绍了压制烧结、松装烧结、放电等离子体烧结、浆料涂覆烧结法和非水基凝胶注模成形法等五种制备方法,探讨了粉末冶金多孔铝的研究方向,并对其发展趋势进行了展望,以期为粉末冶金多孔铝的发展提供借鉴。

硫酸钛液热水解机理及动力学研究

硫酸钛液热水解机理及动力学的试验结果表明,在水解粒子的表面存在着均匀分布的活性中心,反应物以=TI-O-Ti=的形式在活性中心上成键,使晶体不断长大而析出沉淀,同时产生新的活性中心;粒子表面上的化学反应是整个过程的控制步骤。

高能机械研磨制备铁氧体的研究

通过高能机械研磨的方法直接将ZnO和α-Fe2O3混合粉末合成尖晶石型铁氧体粉末，采用高能机械研磨和热处理相结合的工艺，由BaO、ZnO和α-Fe2O3制备超细晶的BaZn2Fe16O27型六角铁氧体，采用X射线衍射（XRD）分析不同研磨时间ZnFe2O4和BaZn2Fe16O27铁氧体形成的化学反应过程，研究发现ZnFe2O4反应过程分阶段进行，反应合成的ZnFe2O4铁氧体粉末的平均晶粒度小于10nm;通过机械研磨和热处理相结合的工艺可以制取晶粒尺寸为100～200nm的超细晶BaZn2Fe16O27铁氧体粉末。

废弃金属基金刚石制品再生利用生产超细预合金粉的沉淀工艺研究

以废弃金属基金刚石制品为原料,采用酸溶-共沉淀-氢还原工艺制备超细预合金粉末,实现资源再生利用。本文着重研究了沉淀过程中温度、pH值等参数对沉淀率以及沉淀物粒度、形貌的影响,并确定最佳沉淀工艺。

铜及铜合金粉末应用及研究现状

本文介绍了近几年国内外铜及铜合金粉末应用及研究现状,并分析了我国同国外先进水平的差距,以及国内目前行业在生产技术、装备和市场等方面存在的问题,为今后行业发展提出了建议。

碳含量对Fe-Cu-C扩散预合金粉末烧结性能的影响

扩散预合金化铁基粉末由于具有高的压缩性和成分均匀性而在粉末冶金零件中得到广泛应用。本文以扩散预合金化Fe-2%Cu(质量分数,下同)粉末为主要原料,研究了添加不同含量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)的石墨粉后烧结Fe-Cu-C合金的显微组织、力学性能和尺寸变化率,并与相同成分的混合粉烧结坯进行对比。结果表明,随着碳含量的增加,Fe-Cu-C合金的烧结密度降低、硬度增加、尺寸变化率减小。扩散预合金粉末烧结后的组织更加均匀,硬度比混合粉烧结坯高5～6HRB,尺寸膨胀率仅为0.10%～0.20%,且尺寸稳定性优于混合粉烧结坯。

新型高温隔热可磨耗封严涂层研究及展望

介绍了可磨耗封严涂层和热障涂层的研究现状,通过对二者发展共性的探讨,提出了开发一种广泛应用于燃气轮机及航空发动机部件上,既具有高温隔热性能又具有高温可磨耗性能的新型涂层。该新型涂层通过热障涂层的工作方式,能有效提高发动机部件的使用温度,并能以可磨耗封严的工作方式改善发动机的密封性能,最终大幅度提高发动机的燃气效率及使用寿命。通过对该新型涂层的概念、结构特点、实现方法以及优异性能的系统分析,指出了新型高温隔热可磨耗封严涂层的应用潜力及研究发展方向。

粉末冶金烧结硬化凸轮材料的摩擦磨损性能研究

本研究将铁基Fe-Cr-Mo-Cu-Si-P-C粉末冶金材料用于组合烧结式粉末冶金中空凸轮轴的凸轮制备,使用MR-H5型高速环块磨损实验机进行摩擦磨损性能测试,并通过白光干涉形貌法对该凸轮材料在不同转速下的摩擦磨损性能进行研究。结果表明,凸轮材料烧结后密度可达7.5 g/cm3以上,硬度HRC达到53.7;材料的磨损状况与转速密切相关,在1 000--2 000 r/min转速范围内,磨损机制主要为磨粒磨损,随着转速提高,微凸体啮合程度不断降低,摩擦因数降低。磨损量则呈现先增加后减少的趋势。当转速达到3 000r/min时,以粘着磨损为主,材料磨损严重。在同样的实验条件下,该粉末冶金凸轮材料的磨损量仅为传统球墨铸铁凸轮材料的1/3,显示了优异的耐磨性。

高能机械研磨合成尖晶石型ZnFe_2O_4铁氧体的研究

本研究通过高能机械研磨的方法直接将ＺｎＯ和αＦｅ２Ｏ３混合粉末合成为尖晶石型ＺｎＦｅ２Ｏ４铁氧体粉末。采用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）和高分辨透射电子显微镜（ＨＲＴＥＭ）分析不同研磨时间ＺｎＦｅ２Ｏ４铁氧体形成的化学反应过程。研究发现，反应过程分阶段进行，在初始阶段（前２０ｈ），反应进行十分缓慢；而２０ｈ以后，ＺｎＦｅ２Ｏ４铁氧体的合成反应开始剧烈进行，并在很短时间内完成。反应合成的ＺｎＦｅ２Ｏ４铁氧体粉末的平均晶粒度小于１０ｎｍ。

扩散CuSn10粉末烧结膨胀行为及影响因素的研究

采用雾化Cu粉和Sn粉为原料,通过调整原料粒度,利用扩散工艺制备了4组CuSn10粉末,将粉末分别压制成轴承生坯进行烧结,研究了轴承的烧结膨胀行为,并分析了原料粒度变化对烧结膨胀行为的影响。结果表明,4组轴承样品烧结后都发生了尺寸膨胀,原因主要有:雾化粉末呈近球形,压制后总孔隙率少;富Sn区熔化后产生液相,由于Cu、Sn互溶,液相Sn扩散渗入Cu粉内部,造成Cu的晶格变大,使Cu粉颗粒体积增大,同时在Sn颗粒原有位置形成空位;液相渗入Cu粉颗粒之间,使其颗粒间距增加;压坯的闭孔中存在气体,随着烧结温度的提高,闭孔内部气压增大,造成体积膨胀。CuSn10烧结膨胀率随原料粒度的增大而增大,Sn粉粒度对CuSn10烧结试样膨胀率的影响约是Cu粉的3倍。

不同形貌部分合金化CuSn10粉末对含油轴承烧结性能的影响

本文对电解铜粉和低松装比雾化铜粉两种不同形貌铜粉原料制得的部分合金化CuSn10粉末进行研究,通过轴承的压制烧结试验,分析了粉末颗粒形貌对含油轴承烧结性能的影响。结果表明,部分合金化CuSn10粉末原料中电解铜粉比例增大,部分合金化粉末形枝状貌增多,含油轴承烧结时的尺寸变化率增大,压溃强度增大,开孔孔隙度降低。在本试验所用压制烧结条件下,当电解铜粉比例占原料铜粉25%左右时,含油轴承收缩率稳定,压溃强度在145 MPa以上,开孔孔隙度在23%左右,符合高精度轴承的性能标准。

电解法制备氧化亚铜粉末的研究

采用电解法制备船底防污涂料用氧化亚铜（Ｃｕ２Ｏ）粉末。研究了ＮａＣｌ电解液组成及其浓度、温度，以及Ｎａ２ＣｒＯ４添加剂浓度、阳极电流密度等因素对Ｃｕ２Ｏ产品质量的影响，确定了电解法制备Ｃｕ２Ｏ的最佳工艺条件，可制得Ｃｕ２Ｏ≥９７％的产品。

含铜铁基粉末冶金零件烧结性能的研究进展

含铜铁基粉末冶金材料在烧结前后易发生尺寸变化,为此类零件的生产带来不便。本文介绍了有关含铜铁基粉末冶金材料的烧结过程、烧结过程中铁铜粉末颗粒尺寸变化和烧结尺寸变化的相关研究进展,主要包括以下内容:高于Cu熔点温度烧结时,Cu颗粒熔化扩散渗入Fe颗粒中,在Cu颗粒原本位置形成流出孔隙,从而造成烧结坯尺寸的膨胀;随着烧结温度或烧结时间的增加,烧结过程中铁铜粉末颗粒的尺寸呈增大趋势;影响含铜铁基粉末冶金材料烧结尺寸变化率的主要因素是粉末粒度及合金元素的成分和含量。

反应物浓度对CoFe2O4前驱体粒度的影响

利用共沉淀法制备了CoFe2O4的前驱体粉末。结果表明:反应物浓度对前驱体粉末粒度影响显著。当反应物铁钴离子总浓度小于0.6mol·L-1时,前驱体粉末粒度在3～9μm,颗粒发生聚集生长;随着反应物浓度增加,粉末粒度减小。当浓度升高到大于1.2mol·L-1,颗粒严重团聚,粒子之间聚合程度大,形成网状结构的团聚体,团聚体粒度大于8μm。选择合适的反应物浓度,可以得到粒度较细、粒度分布窄、粉末分散性较好的前驱体粉末。

添加剂对氧化亚铜产品质量的影响

研究了Ｎａ２ＣｒＯ４ 、ＮａＮＯ３ 、葡萄糖酸钙等添加剂在电解法制备氧化亚铜过程中对氧化亚铜产品质量的影响。试验结果表明，葡萄糖酸钙、Ｎａ２ＣｒＯ４ 、ＮａＮＯ３ 都能有效地抑制阴极区海绵状金属铜粉的生成，但葡萄糖酸钙的作用较其它几种添加剂的效果好，并且不存在对水源的污染等问题，因而是一种较理想的添加剂。

新型铁铜合金粉体材料及性能研究

为改善铁基胎体粉末在金刚石工具制造时的应用情况,通过力学实验,研究新型铁铜合金粉体材料对金刚石工具胎体抗弯强度和切割性能的影响。实验结果显示:较单质混合粉体材料,新型铁铜合金粉体材料的烧结温度略微降低;胎体在870℃时获得高的抗弯强度,为334.85 MPa,比单质混合粉高出11%;烧结硬度为61.72 HB,高于混合粉末12%。铜元素的预合金化行为和更为均匀弥散的分布,使金刚石工具胎体材料强度提高显著,切割性能大幅度上升,通过对相同配方单质混合粉末和新型铁铜合金粉末胎体材料切割性能的比较发现,新型铁铜合金粉体材料锋利度提高20%。

沉淀剂对共沉淀法制备FeCo预合金粉末粒度与形貌的影响

选用草酸、草酸铵、碳酸氢铵等不同的沉淀剂,采用共沉淀法制备了FeCo预合金粉末。用SEM观察粉末形貌,用激光粒度仪测试粉末的激光粒度和粒度分布。研究结果表明：不同的沉淀剂可以制备不同粒度和形貌的预合金粉末,预合金粉末的粒度和形貌与沉淀物粉末具有继承性;使用碳酸氢铵作为沉淀剂制备的粉末粒度最细,为9.74μm,粒度分布较窄,在1.5～14.8μm范围;粉末形貌为由球形小颗粒构成的团聚体。

粉末预合金化对金刚石工具胎体性能的影响

本文通过试验分析研究了铁基粉末预合金化对金刚石工具胎体硬度与抗弯强度的影响。结果表明:预合金粉末烧结温度较低,胎体在750℃即可得到高的烧结硬度,为106 HRB,在650℃~900℃的烧结温度区间内,硬度值变化仅小于4 HRB;而在相同的烧结温度下,相同组分的混合粉末的烧结硬度仅为94 HRB^98 HRB;当烧结温度低于800℃时,预合金粉末胎体抗弯强度低于混合粉末胎体;随着烧结温度的升高,二者差距缩小。预合金粉末胎体的最佳结烧结温度区间为750℃~850℃,在此范围内可得到讲最佳的硬度与抗弯强度匹配。

烧结气氛与温度对AlCuMgSi合金性能的影响

采用Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si铝合金粉末,分别在高纯氮气、高纯氩气、高纯氢气和分解氨等4种气氛下烧结,对比研究不同烧结气氛下制备的合金致密度、力学性能、尺寸变化和显微组织等性能。同时研究高纯氮气气氛下烧结温度对合金性能的影响。结果表明,在590℃烧结温度条件下,高纯氮气气氛中烧结的合金性能最佳,密度达2.66 g/cm3、致密度为97.1%,硬度为23 HRB,抗拉强度为205 MPa,尺寸收缩率为1.65%;高纯氢气中烧结的合金密度、硬度及强度都最低,抗拉强度为96 MPa,屈服强度只有74 MPa,合金组织中存在大量孔隙。随烧结温度升高,烧结坯中的液相逐渐增多,使合金烧结密度增大,强度提高,在590℃烧结的合金抗拉强度最高,为205 MPa;610℃烧结时产生过烧现象,元素偏析严重,合金性能下降。