锡—铋/碳纳米管复合材料的制备及机械性能研究
发布时间：2020-12-16 16:09
针对微电子封装中芯片散热量不断增大而对高导热及高连接强度热界面材料（TIM）的迫切需求,本文基于复合电沉积法将低熔点锡-铋（Sn-Bi）合金和高导热、高强度的碳纳米管结合,制备了锡-铋/碳纳米管（Sn-Bi/CNTs）复合材料。并利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）以及差示扫描量热分析仪（DSC）对Sn-Bi/CNTs复合镀层的表面微观形貌、组织结构、组成成分及熔点进行表征。表征结果发现,CNTs与Sn-Bi实现了共沉积,且CNTs的添加对Sn-Bi的熔点影响不大。本研究首先通过两种不同工艺得到Sn-Bi/CNTs复合材料单搭接接头样品。接头剪切测试结果表明不同制备工艺得到搭接接头的强度差异较大。采用冷压烧结法制备了Sn-Bi/CNTs复合材料拉伸样品,并研究了不同压制压力对Sn-Bi/CNTs复合材料拉伸性能的影响。结果表明较高压制压力有利于提高其拉伸性能。随后重点对CNTs浓度分别为Omg/L、5mg/L、25mg/L和125mg/L的Sn-Bi/CNTs复合材料试样单搭接接头剪切性能和拉伸性能进行了测试。研究结果表明,在C...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?（ａ）热循环下ＴＩＭ承受剪切应变示意图；（ｂ）散热片弯曲ＴＩＭ承受拉伸应变示意图
大的长径比。碳纳米管的分类方法较多，按照层数可分为单壁碳纳米管（Ｓｉｎｇｌｅ?ｃａ比ｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ＳＷＮＴｓ巧日层片间距为?０．３４ｎｍ?的多壁碳纳米管（Ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，??ＭＷＮＴｓ），如图１－３所示ｆＷ；按手性可分为手性型、银齿型和扶手椅型；按照形态可分??为普通封口形、变径形Ｌ义及竹节形等ＰＷ。??碳纳米管不仅具有优异的导热和导电性能，并且具有极高的弹性模量及强度。其杨??巧模量值可达ｌＴＰａＰ＾４ｌ，约为钢的５倍。ＹｕＰＳｊ等报道的ＳＷＮＴｓ的抗拉强度值平均可??达１３－５２ＧＰａ，而ＭＷＮＴｓ的抗拉强度值可达１１？６３ＧＰａ口６］。并且，碳纳米管具有极好的??初性，当对ＭＷＮＴｓ施加的弯曲载荷值超过弯曲强度时，ＭＷＮＴｓ不会断裂，而是发生??弹性屈曲，当外力释放后可恢复原状ＰＳＩ。同时，由于碳纳米管的各向异性，其轴向力学??性能及物化性能较径向要高出许多??图１－３单壁碳纳米管（左）和多壁碳纳米管（右）结构示意图ｔＷ。??１．３．２碳纳米管／金属复合材料的制备方法??基于上述碳纳米管优异的性能，有关碳纳米管／金属复合材料的研究己成为碳纳米??管应用研究热点之一。其制备方法主要有机械混合法、原位反应合成法Ｗ及共沉积法等??几种。??（１）机械混合法??机械混合法即将增强相ｙｘ机械混合方式添加到金属基体中，从而形成复合材料。Ｃ??Ｓ?ＣｏｈＰＳｌ等人通过粉末冶金法制备得到Ｍｇ－ＣＮＴ复合材料并与Ｍｇ－ＳｉＣ复合材料进行性??能对比。结果发现Ｍｇ－ＣＮＴ的屈服强度和抗拉强度要明显高于Ｍｇ－ＳｉＣ复合材料。但当??ＣＮＴｓ含量继续增加时
含量为０．０５ｗｔ％时复合焊料的抗拉强度比纯ＳＡＣ焊料提高了约１．６倍，而再继续増加??Ｎｉ－ＣＮＴｓ含量时，复合焊料的抗拉强度反而下降。主要原因还是在于高含量的Ｎｉ－ＣＮＴ??更容易发生团聚，并且在断口?ＳＥＭ图中观察到的孔洞（图１－４所示）被认为是潜在的??应力集中区域，再加上Ｎｉ－ＣＮＴ与基体的界面结合差，导致继续增加Ｎｉ－ＣＮＴ含量而复??合焊料抗拉强度下降。??Ｉ?Ｍａｖ．ＭＣＣＩ＊?，６?’：?乂??图１－４?ＳＡＣ／Ｎｉ－ＣＮＴ复合焊料拉伸断口分析ＦＥ－ＳＥＭ图［４２］??（２）?Ｓｎ－化－ＣＮＴｓ复合焊料??Ｋ．?Ｍ?ＫｕｍａｒＷ等同样利用机械混合法将ＳＷＮＴｓ添加进６３Ｓｎ－３７化合金粉末。在得??到的Ｓｎ－Ｐｂ－ＣＮＴｓ复合焊料中，当ＣＮＴｓ添加量为０．３ｗｔ．％时，复合焊料的抗拉强度与纯??６３Ｓｎ－３７Ｐｂ焊料相比提高了?３０％。但ＣＮＴｓ含量继续增加时，复合焊料抗拉强度出现下??降，如图１－５?（ａ）所示。研究者认为主要是ＣＮＴｓ发生团聚造成。并且ＣＮＴｓ较多拔出??（图１－５?（ｂ）），说明其与基体的界面结合强度不高。??（ａ）?！。１?（ｂ）?？??０?０?０１?０．０３?０．０５?０．０８?０．１?０．３?０．５?ｆ??Ｗｔ％?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?＾?，??Ｉ一巧函?Ｉ?■?ｕ?叫Ｉ！－、??图１－５?（ａ）?Ｓｎ－Ｐｂ－ＣＮＴ复合焊料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sb含量对Sn-Bi系焊料性能的影响（英文）[J]. 张成,刘思栋,钱国统,周健,薛烽. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(01)
[2]Improvement of mechanical properties of Sn-58Bi alloy with multi-walled carbon nanotubes[J]. HE Peng,Lü Xiao-chun,LIN Tie-song,LI Hai-xin,AN Jing,MA Xin,FENG Ji-cai,ZHANG Yan,LI Qi,QIAN Yi-yu. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(S3)
[3]含碳纳米管的Sn-58Bi钎料的制备及其钎焊性[J]. 何鹏,安晶,马鑫,陈胜,钱乙余,林铁松. 焊接学报. 2011(09)
[4]凝固方式对Sn-Bi钎料组织和性能的影响[J]. 吕晓春,何鹏,张斌斌,马鑫,钱乙余. 材料工程. 2010(10)
[5]金属基复合材料原位反应合成技术现状与展望[J]. 李奎,汤爱涛,潘复生. 重庆大学学报(自然科学版). 2002(09)
[6]合金电镀层厚度的一种计算方法[J]. 任伟,李学钢,王鸿建. 电镀与精饰. 1986(04)
硕士论文
[1]石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究[D]. 刘向东.天津大学 2013
本文编号：2920428
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?（ａ）热循环下ＴＩＭ承受剪切应变示意图；（ｂ）散热片弯曲ＴＩＭ承受拉伸应变示意图
大的长径比。碳纳米管的分类方法较多，按照层数可分为单壁碳纳米管（Ｓｉｎｇｌｅ?ｃａ比ｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ＳＷＮＴｓ巧日层片间距为?０．３４ｎｍ?的多壁碳纳米管（Ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，??ＭＷＮＴｓ），如图１－３所示ｆＷ；按手性可分为手性型、银齿型和扶手椅型；按照形态可分??为普通封口形、变径形Ｌ义及竹节形等ＰＷ。??碳纳米管不仅具有优异的导热和导电性能，并且具有极高的弹性模量及强度。其杨??巧模量值可达ｌＴＰａＰ＾４ｌ，约为钢的５倍。ＹｕＰＳｊ等报道的ＳＷＮＴｓ的抗拉强度值平均可??达１３－５２ＧＰａ，而ＭＷＮＴｓ的抗拉强度值可达１１？６３ＧＰａ口６］。并且，碳纳米管具有极好的??初性，当对ＭＷＮＴｓ施加的弯曲载荷值超过弯曲强度时，ＭＷＮＴｓ不会断裂，而是发生??弹性屈曲，当外力释放后可恢复原状ＰＳＩ。同时，由于碳纳米管的各向异性，其轴向力学??性能及物化性能较径向要高出许多??图１－３单壁碳纳米管（左）和多壁碳纳米管（右）结构示意图ｔＷ。??１．３．２碳纳米管／金属复合材料的制备方法??基于上述碳纳米管优异的性能，有关碳纳米管／金属复合材料的研究己成为碳纳米??管应用研究热点之一。其制备方法主要有机械混合法、原位反应合成法Ｗ及共沉积法等??几种。??（１）机械混合法??机械混合法即将增强相ｙｘ机械混合方式添加到金属基体中，从而形成复合材料。Ｃ??Ｓ?ＣｏｈＰＳｌ等人通过粉末冶金法制备得到Ｍｇ－ＣＮＴ复合材料并与Ｍｇ－ＳｉＣ复合材料进行性??能对比。结果发现Ｍｇ－ＣＮＴ的屈服强度和抗拉强度要明显高于Ｍｇ－ＳｉＣ复合材料。但当??ＣＮＴｓ含量继续增加时
含量为０．０５ｗｔ％时复合焊料的抗拉强度比纯ＳＡＣ焊料提高了约１．６倍，而再继续増加??Ｎｉ－ＣＮＴｓ含量时，复合焊料的抗拉强度反而下降。主要原因还是在于高含量的Ｎｉ－ＣＮＴ??更容易发生团聚，并且在断口?ＳＥＭ图中观察到的孔洞（图１－４所示）被认为是潜在的??应力集中区域，再加上Ｎｉ－ＣＮＴ与基体的界面结合差，导致继续增加Ｎｉ－ＣＮＴ含量而复??合焊料抗拉强度下降。??Ｉ?Ｍａｖ．ＭＣＣＩ＊?，６?’：?乂??图１－４?ＳＡＣ／Ｎｉ－ＣＮＴ复合焊料拉伸断口分析ＦＥ－ＳＥＭ图［４２］??（２）?Ｓｎ－化－ＣＮＴｓ复合焊料??Ｋ．?Ｍ?ＫｕｍａｒＷ等同样利用机械混合法将ＳＷＮＴｓ添加进６３Ｓｎ－３７化合金粉末。在得??到的Ｓｎ－Ｐｂ－ＣＮＴｓ复合焊料中，当ＣＮＴｓ添加量为０．３ｗｔ．％时，复合焊料的抗拉强度与纯??６３Ｓｎ－３７Ｐｂ焊料相比提高了?３０％。但ＣＮＴｓ含量继续增加时，复合焊料抗拉强度出现下??降，如图１－５?（ａ）所示。研究者认为主要是ＣＮＴｓ发生团聚造成。并且ＣＮＴｓ较多拔出??（图１－５?（ｂ）），说明其与基体的界面结合强度不高。??（ａ）?！。１?（ｂ）?？??０?０?０１?０．０３?０．０５?０．０８?０．１?０．３?０．５?ｆ??Ｗｔ％?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?＾?，??Ｉ一巧函?Ｉ?■?ｕ?叫Ｉ！－、??图１－５?（ａ）?Ｓｎ－Ｐｂ－ＣＮＴ复合焊料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sb含量对Sn-Bi系焊料性能的影响（英文）[J]. 张成,刘思栋,钱国统,周健,薛烽. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(01)
[2]Improvement of mechanical properties of Sn-58Bi alloy with multi-walled carbon nanotubes[J]. HE Peng,Lü Xiao-chun,LIN Tie-song,LI Hai-xin,AN Jing,MA Xin,FENG Ji-cai,ZHANG Yan,LI Qi,QIAN Yi-yu. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(S3)
[3]含碳纳米管的Sn-58Bi钎料的制备及其钎焊性[J]. 何鹏,安晶,马鑫,陈胜,钱乙余,林铁松. 焊接学报. 2011(09)
[4]凝固方式对Sn-Bi钎料组织和性能的影响[J]. 吕晓春,何鹏,张斌斌,马鑫,钱乙余. 材料工程. 2010(10)
[5]金属基复合材料原位反应合成技术现状与展望[J]. 李奎,汤爱涛,潘复生. 重庆大学学报(自然科学版). 2002(09)
[6]合金电镀层厚度的一种计算方法[J]. 任伟,李学钢,王鸿建. 电镀与精饰. 1986(04)
硕士论文
[1]石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合无铅钎料的设计与性能研究[D]. 刘向东.天津大学 2013
本文编号：2920428
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