D0I:10.13374/i.issnl00103.2007.05.006 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 注射成形制备SiCp/AI复合材料电子 封装盒体的预成形坯 褚克贾成厂梁雪冰曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要对碳化硅陶瓷注射喂料进行流变性能分析后得到合适的注射喂料·通过注射工艺和后续的脱脂一预烧结工艺成功制 备出压渗用SiCp封装盒体的预成形坯.结果表明：SiCp装载量为65%，粘结剂成分为70%PW(石蜡)十29%HPDE(高密度聚 乙烯)十1%$A(硬脂酸)的喂料在较宽的剪切速率和温度范围内均具有良好的注射性能：在合适的注射参数下可以制得完整 无缺陷的注射坯：采用溶剂脱脂与热脱脂两步脱脂工艺，可以成功脱除注射坯体中的粘结剂，在1150℃进行预烧结，制备出了 具有良好外观形貌、足够强度以及适中连通孔隙的预成形坯，可以满足后续加压渗铝制备SiC/A!复合材料的封装盒体实验 的要求 关键词电子封装材料：碳化硅(SC);喂料；注射成形：脱脂 分类号TB332 电子封装用金属基复合材料目前发展最快、研 究最多的是碳化硅铝基复合材料-).SiCp/Al复 合材料可以通过SiC的体积含量变化调整线膨胀系 数，具有密度低、导热性好、基本与钼铜材料相当、线 膨胀系数与芯片及基体陶瓷材料相匹配等优良性 能. SiC含量较高的复合材料，陶瓷含量高，机械加 工和热变形成形难度都较大；传统粉末冶金、压铸等 制备方法的工艺设备造价和模具及其他工装费用 图1SiC粉末颗粒形貌及粒度分布 高、近终成形能力差，限制了碳化硅铝基复合材料的 Fig.I Micrograph and particle size distribution of SiC powder 应用[，注射成形工艺具有一次性成形复杂形状制 品、产品尺寸精度高、只需微量加工、易于实现生产 粘结剂采用多组元蜡基体系，由石蜡、高密度聚 自动化的特点，弥补了传统粉末治金工艺等工艺的 乙烯及硬脂酸组元组成（质量比为70：29：1），各组 不足，本文主要通过采用注射成形工艺制备近终成 元按一定顺序加入到混料器中熔化，充分混合均匀 形的碳化硅电子封装盒体的预成形坯，为后续 后，冷却破碎后备用 SiCp/Al复合材料的制备奠定基础. 1.2实验过程 把SC颗粒与配制好的粘结剂以体积分数为 1实验 65%的装载量于FK/PSJ32型双辊筒炼塑机在 1.1原料 160℃混炼均匀，随后再用单螺杆挤出机挤出制粒 实验采用的是粒度分布为14~28m的绿色 在CJ8OE型注塑机以适当的注射温度及注射压力 BSiC颗粒.图1是原始SiC粉末的扫描电镜照片， 下注射，得到的注射坯分别经过溶剂脱脂和氢气气 SC颗粒细小且形状不规则，粒度分布广· 氛下的热脱脂一预烧结工序后得到具有一定强度和 孔隙度的封装盒体预成形体， 收稿日期：2006-02-05修回日期：2006-05-25 1.3分析测试 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50274014):民口配套 在Instron一3211毛细管流变仪上测定注射喂 研制项目(N。.28300007) 作者简介：褚克(1982-)男，博士研究生：贾成厂(1949-)：男， 料的流变性能，用分析天平称取注射坯及各阶段脱 教授，博士生导师 脂坯的质量并计算出脱脂率，用TA409QMS综合
注射成形制备 SiCp／Al 复合材料电子 封装盒体的预成形坯 褚 克 贾成厂 梁雪冰 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 对碳化硅陶瓷注射喂料进行流变性能分析后得到合适的注射喂料．通过注射工艺和后续的脱脂－预烧结工艺成功制 备出压渗用 SiCp 封装盒体的预成形坯．结果表明：SiCp 装载量为65％粘结剂成分为70％PW（石蜡）＋29％HPDE（高密度聚 乙烯）＋1％SA（硬脂酸）的喂料在较宽的剪切速率和温度范围内均具有良好的注射性能；在合适的注射参数下可以制得完整 无缺陷的注射坯；采用溶剂脱脂与热脱脂两步脱脂工艺可以成功脱除注射坯体中的粘结剂在1150℃进行预烧结制备出了 具有良好外观形貌、足够强度以及适中连通孔隙的预成形坯可以满足后续加压渗铝制备 SiCp／Al 复合材料的封装盒体实验 的要求． 关键词 电子封装材料；碳化硅（SiC）；喂料；注射成形；脱脂 分类号 TB332 收稿日期：2006-02-05 修回日期：2006-05-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50274014）；民口配套 研制项目（No．28300007） 作者简介：褚 克（1982－）男博士研究生；贾成厂（1949－）男 教授博士生导师 电子封装用金属基复合材料目前发展最快、研 究最多的是碳化硅铝基复合材料［1－2］．SiCp／Al 复 合材料可以通过 SiC 的体积含量变化调整线膨胀系 数具有密度低、导热性好、基本与钼铜材料相当、线 膨胀系数与芯片及基体陶瓷材料相匹配等优良性 能［3］． SiC 含量较高的复合材料陶瓷含量高机械加 工和热变形成形难度都较大；传统粉末冶金、压铸等 制备方法的工艺设备造价和模具及其他工装费用 高、近终成形能力差限制了碳化硅铝基复合材料的 应用［4］．注射成形工艺具有一次性成形复杂形状制 品、产品尺寸精度高、只需微量加工、易于实现生产 自动化的特点弥补了传统粉末冶金工艺等工艺的 不足．本文主要通过采用注射成形工艺制备近终成 形的碳化硅电子封装盒体的预成形坯为后续 SiCp／Al 复合材料的制备奠定基础． 1 实验 1∙1 原料 实验采用的是粒度分布为14～28μm 的绿色 β－SiC 颗粒．图1是原始 SiC 粉末的扫描电镜照片 SiC 颗粒细小且形状不规则粒度分布广． 图1 SiC 粉末颗粒形貌及粒度分布 Fig．1 Micrograph and particle size distribution of SiC powder 粘结剂采用多组元蜡基体系由石蜡、高密度聚 乙烯及硬脂酸组元组成（质量比为70∶29∶1）各组 元按一定顺序加入到混料器中熔化充分混合均匀 后冷却破碎后备用． 1∙2 实验过程 把 SiC 颗粒与配制好的粘结剂以体积分数为 65％的装载量于 FK／PSJ32 型双辊筒炼塑机在 160℃混炼均匀随后再用单螺杆挤出机挤出制粒． 在 CJ80E 型注塑机以适当的注射温度及注射压力 下注射得到的注射坯分别经过溶剂脱脂和氢气气 氛下的热脱脂－预烧结工序后得到具有一定强度和 孔隙度的封装盒体预成形体． 1∙3 分析测试 在 Instron－3211毛细管流变仪上测定注射喂 料的流变性能用分析天平称取注射坯及各阶段脱 脂坯的质量并计算出脱脂率用 TA409－QMS 综合 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．006
第5期 褚克等：注射成形制备SiCp/l复合材料电子封装盒体的预成形坯 .471. 热分析仪对喂料进行热失重分析TGA和差热扫描 过线性拟合，可以得到喂料在不同温度下的n值： 量热分析DSC,用S一250MK3型扫描电镜观察粉 n(170℃)=0.615，n(180℃)=0.624，n(190℃)= 末、SC注射坯及预成形坯的形貌，用液态静力学称 0.608.n值在不同温度下变化不大，表明喂料在较 量法测定SC预成形坯的孔隙率， 宽的温度范围内随剪切速率的变化均较为缓慢，喂 2结果分析讨论 料的流变稳定性较好，这种流变稳定性对注射成形 十分有利，可以很好地防止注射成形时由于剪切速 2.1喂料的流变性能 率的波动而引起注射坯质量恶化， 在注射工艺过程中，评价喂料流变性能的主要 从图3可以看出温度对流动性的影响很明显， 指标是喂料的黏度及剪切速率和温度对黏度的敏感 温度升高，黏度值迅速下降，流动性能变好，喂料黏 性，图2和图3分别给出了在不同剪切速率和不同 度与温度的关系]为： 温度下，喂料黏度的变化规律. T)=Toexp(E/RT). 2400 其中，是参考黏度，E是粘流活化能，R是气体常 2000 数，T是温度 --170℃ 1600 -180℃ E值表征了温度对喂料黏度的影响，E小则喂 -4-190℃ 1200 料黏度对温度变化的敏感性小，对注射成形有利， 在剪切速率分别是27,193，和978s一1的条件下，作 800 ln-1/T的关系图（图3），可求得各喂料的粘流活 400 化能为E(27s1)=30.43 kJ-mol1,E(193s1)= 0 2004006008001000 剪切速率/s~ 32.43 kJ-mol1,E(978s-1)=31.93 kJ.mol1.可 见该喂料在不同剪切速率下的粘流活化能都较低， 图2喂料黏度与剪切速率的关系 表明各组喂料黏度对温度的变化的敏感性较小，具 Fig-2 Correlation of feedstock viscosity with shear rate 有相当优良的流变热稳定性，注射时温度的波动对 注射成形坯的质量不会产生大的影响 5.4 ·27s1 193s1 2.2注射参数的选择10] 5.2 4978s-1 5.0 在诸多的注射参数中，注射压力、注射温度和模 4.8 具温度是消除注射缺陷的关键 4.6 表1为注射压力在110MPa,模具温度在40℃ 4.4 左右，注射温度在150~190℃范围内波动时，注射 4.2 坯的成形状况.从表1中可以看到：从160~170℃ 4.0 2.162.182.292.222.24 2.26 都出现欠注的情况，直至180℃才注满模腔得到较 T-/103K1 为完整的SiC注射坯体；但当注射温度升至185℃ 图3喂料黏度与温度的关系 时，虽然能成功注出完整的坯体，但冷却下来后坯 Fig.3 Correlation of feedstock viscosity with temperature 体有少量的收缩和凹陷；到了190℃以后，试样收 缩较大且有少量的飞边产生，这种缺陷随着注射温 从图2可以看到：在较低的剪切速率下，SiC喂 度的升高还会加剧， 料的黏度很高，随着剪切速率的增大，喂料的黏度降 低，呈现出典型的假塑性流体特征可]. 表1注射温度对缺陷的影响 对于假塑性流体，有[6] Table 1 Influence of injection temperature on defects =kY(n-1) 注射温度/℃ 成形状况 其中，Y为剪切速率，k为常数，n为粘性流动指数 150~165 坯体不完整，喂料没有充满模腔 ”为流体的黏度，n值的大小说明了流体对剪切速 170 坯体表面不平整，有褶皱 率影响的敏感程度，对复杂精密零件的注射成形尤 175 喂料填满模腔，但坯体有少量孔洞 其重要.对于注射喂料，一般要求值较低，黏度随 180 喂料填满模腔，坯体完整无缺 剪切速率的增加而下降的速度越快，越有利于复杂 185 喂料填满模腔，坯体有少量收缩 形状的注射产品的成形.作lgT1gY的关系图，经 190 坯体收缩较大且有少量飞边
热分析仪对喂料进行热失重分析 TGA 和差热扫描 量热分析 DSC用 S－250MK3型扫描电镜观察粉 末、SiC 注射坯及预成形坯的形貌用液态静力学称 量法测定 SiC 预成形坯的孔隙率． 2 结果分析讨论 2∙1 喂料的流变性能 在注射工艺过程中评价喂料流变性能的主要 指标是喂料的黏度及剪切速率和温度对黏度的敏感 性．图2和图3分别给出了在不同剪切速率和不同 温度下喂料黏度的变化规律． 图2 喂料黏度与剪切速率的关系 Fig．2 Correlation of feedstock viscosity with shear rate 图3 喂料黏度与温度的关系 Fig．3 Correlation of feedstock viscosity with temperature 从图2可以看到：在较低的剪切速率下SiC 喂 料的黏度很高随着剪切速率的增大喂料的黏度降 低呈现出典型的假塑性流体特征［5］． 对于假塑性流体有［6－7］ η＝kγ（ n－1） 其中γ为剪切速率k 为常数n 为粘性流动指数 η为流体的黏度．n 值的大小说明了流体对剪切速 率影响的敏感程度对复杂精密零件的注射成形尤 其重要．对于注射喂料一般要求 n 值较低黏度随 剪切速率的增加而下降的速度越快越有利于复杂 形状的注射产品的成形．作 lgη－lgγ的关系图经 过线性拟合可以得到喂料在不同温度下的 n 值： n（170℃）＝0∙615n（180℃）＝0∙624n（190℃）＝ 0∙608．n 值在不同温度下变化不大表明喂料在较 宽的温度范围内随剪切速率的变化均较为缓慢喂 料的流变稳定性较好这种流变稳定性对注射成形 十分有利可以很好地防止注射成形时由于剪切速 率的波动而引起注射坯质量恶化． 从图3可以看出温度对流动性的影响很明显． 温度升高黏度值迅速下降流动性能变好．喂料黏 度与温度的关系［7－8］为： η（ T）＝η0exp（ E／RT）． 其中η0 是参考黏度E 是粘流活化能R 是气体常 数T 是温度． E 值表征了温度对喂料黏度的影响E 小则喂 料黏度对温度变化的敏感性小对注射成形有利． 在剪切速率分别是27193和978s －1的条件下作 lnη－1／T 的关系图（图3）可求得各喂料的粘流活 化能为 E（27s －1）＝30∙43kJ·mol －1E（193s －1）＝ 32∙43kJ·mol －1E（978s －1）＝31∙93kJ·mol －1．可 见该喂料在不同剪切速率下的粘流活化能都较低 表明各组喂料黏度对温度的变化的敏感性较小具 有相当优良的流变热稳定性注射时温度的波动对 注射成形坯的质量不会产生大的影响． 2∙2 注射参数的选择［10］ 在诸多的注射参数中注射压力、注射温度和模 具温度是消除注射缺陷的关键． 表1为注射压力在110MPa模具温度在40℃ 左右注射温度在150～190℃范围内波动时注射 坯的成形状况．从表1中可以看到：从160～170℃ 都出现欠注的情况直至180℃才注满模腔得到较 为完整的 SiC 注射坯体；但当注射温度升至185℃ 时虽然能成功注出完整的坯体但冷却下来后坯 体有少量的收缩和凹陷；到了190℃以后试样收 缩较大且有少量的飞边产生这种缺陷随着注射温 度的升高还会加剧． 表1 注射温度对缺陷的影响 Table1 Influence of injection temperature on defects 注射温度／℃ 成形状况 150～165 坯体不完整喂料没有充满模腔 170 坯体表面不平整有褶皱 175 喂料填满模腔但坯体有少量孔洞 180 喂料填满模腔坯体完整无缺 185 喂料填满模腔坯体有少量收缩 190 坯体收缩较大且有少量飞边 第5期 褚 克等： 注射成形制备 SiCp／Al 复合材料电子封装盒体的预成形坯 ·471·
472 北京科技大学学报 第29卷 表2为注射温度180℃，模具温度40℃左右， 首先进行溶剂脱脂是在汽油中浸泡28h进行溶剂 注射压力在80~120MPa范围内波动时，注射坯的 萃取脱脂，其主要为首先脱除粘结剂中的石蜡部分， 成形状况.从表2中可见：注射压力在80~100MPa 使坯块中留下尽量多的连通孔隙，以便于热脱脂时 时，坯体不完整，喂料没有充满模腔；在110MPa附 排出聚乙烯和剩余石蜡的热分解物，图5为溶剂脱 近可以获得外观完好无缺陷的试样，但在115MPa 脂粘结剂中石蜡随时间失重关系图.从图中可以看 以上时虽然喂料可以充满模腔，但开模后坯体的两 出溶剂脱脂率随着脱脂时间的延长成抛物线的走势 端容易发生断裂且坯体在冷却后表面有鼓胀的缺 变化，即一开始增加很快，随后增长趋势变慢，20h 陷 后基本保持在石蜡总量的80%左右不变（石蜡脱除 表2注射压力对缺陷的影响 量约占粘结剂总量的56%)·而预烧结后粘结剂的 Table 2 Influence of injection pressure on defects 脱除量为原加入粘结剂总量的95%以上，可以认为 注射压力/MPa 成形状况 在脱脂一预烧结工艺过程中粘结剂得到了很好的脱 80-95 坯体不完整，喂料没有充满模腔 除 100 坯体较完整，但表面有少许褶皱 85 105 喂料填满模腔，但坯体有少量孔洞 110 喂料填满模腔，坯体完整无缺 3 115 喂料填满模腔，坯体有少量鼓胀变形 120 开模时坯体两端有断裂 65 另外，在注射中始终保持模具有一定的温度 (3545℃)，其作用在于：(1)热模散热较冷模慢， 50 有利于保持喂料在模腔内的流动性，减少欠注缺陷 0 152025 时间h 的发生；(2)采用热模时喂料与模壁温差减小，因此 热应力也减小，能减少断裂和中心通孔缺陷的发 图5粘结剂中石蜡随时间失重关系图 生 Fig-5 Correlation of the weightlessness of wax in the binder with time 通过以上实验，得到能注出完整成形坯的最佳 注射参数是注射压力110MPa,注射温度180℃，模 溶剂脱脂坯烘干后，在氢气保护气氛下进行热 具温度在40℃左右，在该注射参数下，所得的注射 脱以脱除残余的粘结剂，由于注射粘结剂组元的热 坯完好无缺陷.图4为注射坯的端口形貌(SEM) 分解温度不同，而喂料的热解性能直接关系脱脂工 可以看出，喂料和粘结剂混合均匀，无两相分离现 艺参数的选定， 象 热失重分析TGA和差热分析DSC曲线能充分 反映喂料的热分解温度、物质组织结晶结构的变化 等热特征，图5为喂料在10℃min1加热条件下 的TGA和DSC曲线，TGA曲线主要分为两个阶 段：第一阶段的失重区间在185~330℃，特别在 300℃附近有一明显的放热峰，对应PW的热分解； 第二阶段的失重区间在370~550℃，在480℃附近 有一明显的放热峰，主要对应HDPE的热分解，从 图6中可以看出，第二阶段的TGA曲线并没有出现 明显的台阶，热解过程平缓，PW,HDPE的分解互相 图4注射坯的断口形貌(SEM) 衔接，保形性较差的PW先于HDPE脱除，此时 Fig.4 Fracture surface of the injection part by SEM HDPE在成形坯中继续起保持坯块形状的作用，由 2.3SiC预成形坯的脱脂预烧结工艺[8山 此可见，各单组元粘结剂的脱除按其熔点的差异分 为了减少由单纯热脱脂而引起的产品变形大、 成了几个阶段，这对脱脂过程中坯体形状的维持非 脱脂周期长等缺点，根据采取的蜡基多组元粘结剂 常有利，因此热解后阶段的曲线变化说明喂料的脱 的特性，采取了溶剂脱脂十热脱脂工艺，对注射坯 脂保形性优良
表2为注射温度180℃模具温度40℃左右 注射压力在80～120MPa 范围内波动时注射坯的 成形状况．从表2中可见：注射压力在80～100MPa 时坯体不完整喂料没有充满模腔；在110MPa 附 近可以获得外观完好无缺陷的试样但在115MPa 以上时虽然喂料可以充满模腔但开模后坯体的两 端容易发生断裂且坯体在冷却后表面有鼓胀的缺 陷． 表2 注射压力对缺陷的影响 Table2 Influence of injection pressure on defects 注射压力／MPa 成形状况 80～95 坯体不完整喂料没有充满模腔 100 坯体较完整但表面有少许褶皱 105 喂料填满模腔但坯体有少量孔洞 110 喂料填满模腔坯体完整无缺 115 喂料填满模腔坯体有少量鼓胀变形 120 开模时坯体两端有断裂 另外在注射中始终保持模具有一定的温度 （35～45℃）其作用在于：（1）热模散热较冷模慢 有利于保持喂料在模腔内的流动性减少欠注缺陷 的发生；（2）采用热模时喂料与模壁温差减小因此 热应力也减小能减少断裂和中心通孔缺陷的发 生． 通过以上实验得到能注出完整成形坯的最佳 注射参数是注射压力110MPa注射温度180℃模 具温度在40℃左右．在该注射参数下所得的注射 坯完好无缺陷．图4为注射坯的端口形貌（SEM）． 可以看出喂料和粘结剂混合均匀无两相分离现 象． 图4 注射坯的断口形貌（SEM） Fig．4 Fracture surface of the injection part by SEM 2∙3 SiC 预成形坯的脱脂－预烧结工艺［8－11］ 为了减少由单纯热脱脂而引起的产品变形大、 脱脂周期长等缺点根据采取的蜡基多组元粘结剂 的特性采取了溶剂脱脂＋热脱脂工艺．对注射坯 首先进行溶剂脱脂是在汽油中浸泡28h 进行溶剂 萃取脱脂其主要为首先脱除粘结剂中的石蜡部分 使坯块中留下尽量多的连通孔隙以便于热脱脂时 排出聚乙烯和剩余石蜡的热分解物．图5为溶剂脱 脂粘结剂中石蜡随时间失重关系图．从图中可以看 出溶剂脱脂率随着脱脂时间的延长成抛物线的走势 变化即一开始增加很快随后增长趋势变慢20h 后基本保持在石蜡总量的80％左右不变（石蜡脱除 量约占粘结剂总量的56％）．而预烧结后粘结剂的 脱除量为原加入粘结剂总量的95％以上可以认为 在脱脂－预烧结工艺过程中粘结剂得到了很好的脱 除． 图5 粘结剂中石蜡随时间失重关系图 Fig．5 Correlation of the weightlessness of wax in the binder with time 溶剂脱脂坯烘干后在氢气保护气氛下进行热 脱以脱除残余的粘结剂由于注射粘结剂组元的热 分解温度不同而喂料的热解性能直接关系脱脂工 艺参数的选定． 热失重分析 TGA 和差热分析 DSC 曲线能充分 反映喂料的热分解温度、物质组织结晶结构的变化 等热特征．图5为喂料在10℃·min －1加热条件下 的 TGA 和 DSC 曲线．TGA 曲线主要分为两个阶 段：第一阶段的失重区间在185～330℃特别在 300℃附近有一明显的放热峰对应 PW 的热分解； 第二阶段的失重区间在370～550℃在480℃附近 有一明显的放热峰主要对应 HDPE 的热分解．从 图6中可以看出第二阶段的 TGA 曲线并没有出现 明显的台阶热解过程平缓PWHDPE 的分解互相 衔接保形性较差的 PW 先于 HDPE 脱除此时 HDPE 在成形坯中继续起保持坯块形状的作用．由 此可见各单组元粘结剂的脱除按其熔点的差异分 成了几个阶段这对脱脂过程中坯体形状的维持非 常有利．因此热解后阶段的曲线变化说明喂料的脱 脂保形性优良． ·472· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 褚克等：注射成形制备SiCp/Al复合材料电子封装盒体的预成形坯 .473 结理论中强度随烧结温度的变化相一致，在不同预 时间/min 10 20 3040 50 60 %A5 烧结温度下预成形坯的孔隙度在35%左右，在远低 100 80 0.35 于SiC烧结温度下，SiC几乎不会发生致密化，这主 60 要是由于SC难烧结，因此其孔隙度也不会发生较 0.25 40 大变化，要烧结适当孔隙度的预成形坯可以选取在 20 015客 1100℃以上的温度，综合考虑，本实验最终确定的 0.05 100 200300400500600700 烧结温度为1150℃. 温度/℃ 在热脱脂一预烧结后，预成形坯的断面如图9所 图6喂料的TGA和DSC曲线 示，可以看到坯样中的粘结剂已全部去除，颗粒与孔 Fig-6 TGA and DSC curves of the feedstock 隙的分布比较均匀，这样便于铝熔体渗入到连通孔 隙中去 基于以上的TGA/DSC分析，最终确定了如图 7所示的热脱脂预烧结工艺曲线， 1200 1150℃ 1000 800 7℃.min 贤 600 500℃ 400 320℃/5℃.min- 200 3℃，mint 0 0100200300400500600 时间h 图9SiCp预成形坯的组织形貌(SEM Fig.9 Microstructure of the SiCp preform 图7热脱脂一预烧结工艺流程 Fig.7 Process of thermal debinding pre-sintering 3结论 由于在加压渗铝的时候，要求预成形坯有一定 (1)SiCp装载量为65%，粘结剂成分为70% 的抗压强度和孔隙度，而烧结温度决定了预成形坯 PW+29%HPDE十1%SA注射喂料在较宽的剪切 的抗压强度和孔隙度，图8为不同的烧结温度下预 速率和温度范围内粘性流动系数和粘流活化能均较 成形坯的抗压强度和孔隙度的变化 小，有良好的注射性能 0.40 (2)注射压力110MPa、注射温度180℃、模具 0.38 温度40℃左右的注射参数下，所得的注射坯外观完 好无缺陷：微观上，喂料和粘结剂混合均匀，无两相 036￥ 分离现象 0.34 (3)采用溶剂脱脂与热脱脂的两步脱脂工艺， 成功地脱除了注射成形试样中的粘结剂，并在 0.32 1150℃下进行预烧结，制备出了具有良好外观形 0.30 1050 1100 1150 1200 貌、足够强度以及适中连通孔隙的预成形坯，可以满 烧结温度/： 足后续加压渗铝制备SiCp/Al实验的要求. 图8抗压强度和孔隙度随烧结温度的变化规律 参考文献 Fig.8 Compressive strength and porosity of the preform at differ- [1】王铁军，周武平，熊宁，等。电子封装用粉末冶金材料·粉末 ent sintering temperatures 冶金技术，2005,23(2)：146 在1050℃时，预成形坯的抗压强度几乎为0， [2]Barrett K.Packaging forecast:design variability.Electron News 2000,46(44):48 而在1150℃可达本实验中压力浸渗技术制备复合 [3]阳范文，赵耀明.21世纪我国电子封装行业的发展机遇与挑 材料要求的抗压强度，从图中可以看到预成形坯的 战.半导体情报，2001,38(4)：15 抗压强度随烧结温度的升高明显增大，这与粉末烧 [4]郑小红，胡明，周国柱.新型电子封装材料的研究现状及展
图6 喂料的 TGA 和 DSC 曲线 Fig．6 TGA and DSC curves of the feedstock 基于以上的 TGA／DSC 分析最终确定了如图 7所示的热脱脂－预烧结工艺曲线． 图7 热脱脂－预烧结工艺流程 Fig．7 Process of thermal debinding-pre-sintering 由于在加压渗铝的时候要求预成形坯有一定 的抗压强度和孔隙度而烧结温度决定了预成形坯 的抗压强度和孔隙度图8为不同的烧结温度下预 成形坯的抗压强度和孔隙度的变化． 图8 抗压强度和孔隙度随烧结温度的变化规律 Fig．8 Compressive strength and porosity of the preform at different sintering temperatures 在1050℃时预成形坯的抗压强度几乎为0 而在1150℃可达本实验中压力浸渗技术制备复合 材料要求的抗压强度．从图中可以看到预成形坯的 抗压强度随烧结温度的升高明显增大这与粉末烧 结理论中强度随烧结温度的变化相一致．在不同预 烧结温度下预成形坯的孔隙度在35％左右．在远低 于 SiC 烧结温度下SiC 几乎不会发生致密化这主 要是由于 SiC 难烧结因此其孔隙度也不会发生较 大变化．要烧结适当孔隙度的预成形坯可以选取在 1100℃以上的温度．综合考虑本实验最终确定的 烧结温度为1150℃． 在热脱脂－预烧结后预成形坯的断面如图9所 示可以看到坯样中的粘结剂已全部去除颗粒与孔 隙的分布比较均匀这样便于铝熔体渗入到连通孔 隙中去． 图9 SiCp 预成形坯的组织形貌（SEM） Fig．9 Microstructure of the SiCp preform 3 结论 （1） SiCp 装载量为65％粘结剂成分为70％ PW＋29％HPDE＋1％SA 注射喂料在较宽的剪切 速率和温度范围内粘性流动系数和粘流活化能均较 小有良好的注射性能． （2） 注射压力110MPa、注射温度180℃、模具 温度40℃左右的注射参数下所得的注射坯外观完 好无缺陷；微观上喂料和粘结剂混合均匀无两相 分离现象． （3） 采用溶剂脱脂与热脱脂的两步脱脂工艺 成功地脱除了注射成形试样中的粘结剂并在 1150℃下进行预烧结制备出了具有良好外观形 貌、足够强度以及适中连通孔隙的预成形坯可以满 足后续加压渗铝制备 SiCp／Al 实验的要求． 参 考 文 献 ［1］ 王铁军周武平熊宁等．电子封装用粉末冶金材料．粉末 冶金技术200523（2）：146 ［2］ Barrett K．Packaging forecast：design variability．Electron News 200046（44）：48 ［3］ 阳范文赵耀明．21世纪我国电子封装行业的发展机遇与挑 战．半导体情报200138（4）：15 ［4］ 郑小红胡明周国柱．新型电子封装材料的研究现状及展 第5期 褚 克等： 注射成形制备 SiCp／Al 复合材料电子封装盒体的预成形坯 ·473·
.474 北京科技大学学报 第29卷 望.佳木斯大学学报：自然科学版，2005(3)：138 mer.J Eur Ceram Soc.1995.15(2):729 [5]罗铁钢，曲选辉，秦明礼，注射成形Kvar合金蜡基粘结剂的 [9]Matar S A.Edirisinghe M J.Evans J R G.et al.Modelling the 优化.矿业研究与开发，2005(1)：39 removal of organic vehicle from ceramic or metal moulding the ef- [6]LiS L.Huang B Y.Qu X H.et al.Development of a waxoil- fect of gas permeation on the incidence of defects.J Mater Sci. polyethylene binder for FeNiz injection molding.Trans Nonfer- 1995,30(2):3805 rous Met Soc China.2000.10(5):680 [1O]武高辉，张强等，姜龙涛，等.SiCP/Al复合材料在电子封装 [7]林好转，氧化钴注射成形喂料流变性能测试和分析·粉末冶 应用中基础研究.电子元件与材料，2003,22(6)：27 金材料科学与工程，2004(1)：87 [1l]平延磊，贾成厂，曲选辉，等.SiCp/Al电子封装复合材料预 [8]Zhang T,Evans JR G.Woodthorpe J.Injection moulding of sili- 成形坯的制备.北京科技大学学报，2004,26(3)：77 con carbide using an organic vehicle based on a preceramic poly- Fabrication of the electronic package box preform of SiCp/Al composites by powder injection molding CHU Ke,JIA Chengchang,LIA NG Xuebing,Qu Xuanhui Material Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Suitable feedstock was obtained after analyzing the rheological properties of silicon carbide ceram- ics.SiCp package box performs used in pressure infiltration experiment were manufactured through powder in- jection molding and debinding pre-sintering process.Experimental results showed that the feedstork with 65% SiCp load and 70%PW(paraffin wax)9%HPDE (high-density polyethylene)1%SA (stearic acid)had the best injection properties in the wide ranges of temperature and shear rate.The injection part with no defects could be manufactured at suitable injection parameters.The debinder was successfully removed from the injection part by solvent and thermal debinding process.SiCp package box preforms with good appearance,enough strength and proper porosity were obtained by pre-sintering process at 1150C,which was up to the request of following pressure infiltration experiment to fabricate SiCp/Al composites package boxes. KEY WORDS electronic packaging materials;silicon carbide;feedstork;powder injection molding:debind
望．佳木斯大学学报：自然科学版2005（3）：138 ［5］ 罗铁钢曲选辉秦明礼．注射成形 Kovar 合金蜡基粘结剂的 优化．矿业研究与开发2005（1）：39 ［6］ Li S LHuang B YQu X Het al．Development of a wax-oi-l polyethylene binder for Fe－Ni2injection molding．Trans Nonferrous Met Soc China200010（5）：680 ［7］ 林好转．氧化锆注射成形喂料流变性能测试和分析．粉末冶 金材料科学与工程2004（1）：87 ［8］ Zhang TEvans J R GWoodthorpe J．Injection moulding of silicon carbide using an organic vehicle based on a preceramic polymer．J Eur Ceram Soc199515（2）：729 ［9］ Matar S AEdirisinghe M JEvans J R Get al．Modelling the removal of organic vehicle from ceramic or metal moulding the effect of gas permeation on the incidence of defects．J Mater Sci 199530（2）：3805 ［10］ 武高辉张强等姜龙涛等．SiCP／Al 复合材料在电子封装 应用中基础研究．电子元件与材料200322（6）：27 ［11］ 平延磊贾成厂曲选辉等．SiCp／Al 电子封装复合材料预 成形坯的制备．北京科技大学学报200426（3）：77 Fabrication of the electronic package box preform of SiCp／Al composites by powder injection molding CHU KeJIA ChengchangLIA NG XuebingQu Xuanhui Material Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Suitable feedstock was obtained after analyzing the rheological properties of silicon carbide ceramics．SiCp package box performs used in pressure infiltration experiment were manufactured through powder injection molding and debinding-pre-sintering process．Experimental results showed that the feedstork with 65％ SiCp load and70％ PW （paraffin wax）＋29％ HPDE （high-density polyethylene）＋1％ SA （stearic acid） had the best injection properties in the wide ranges of temperature and shear rate．The injection part with no defects could be manufactured at suitable injection parameters．The debinder was successfully removed from the injection part by solvent and thermal debinding process．SiCp package box preforms with good appearanceenough strength and proper porosity were obtained by pre-sintering process at 1150℃which was up to the request of following pressure infiltration experiment to fabricate SiCp／Al composites package boxes． KEY WORDS electronic packaging materials；silicon carbide；feedstork；powder injection molding；debind ·474· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷