Исследование физических свойств металломатричного композиционного материала AlSiC

ФИЗИКА

УДК 538.95

К. Н. Нищев, М. И. Новопольцев, Н. Е. Фомин, В. А. Юдин, Б. В. Щетанов, В. В. Елисеев, Л. А. Эмих

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА AlSiC1

Аннотация. Приведены экспериментальные результаты исследования структуры, термомеханических и теплофизических свойств металломатричного композиционного материала AlSiC, технология получения которого разрабатывается с целью его применения в качестве материала высокоэффективных теплоотводящих оснований силовых полупроводниковых приборов.

Ключевые слова: композиционный материал, термомеханические и теплофизические свойства.

Abstract. The article adduces experimental results of investigating the structure, thermo-mechanical and thermal properties of the metal-matrixcomposite material AlSiC, the production technology of which is developed for its application as a material for high heat-removing bases of power semiconductor devices.

Key words: composite material, thermomechanical and thermophysical properties.

Введение

В настоящее время силовая электроника средних и больших мощностей переживает период интенсивного развития. Практически все типы преобразовательного оборудования средней мощности (от десятков киловатт до единиц мегаватт) разрабатываются с использованием силовых модулей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT модули).

Важнейшим конструкционным элементом силовых модулей является основание, служащее для компактного монтажа металлокерамических плат с напаянными на них полупроводниковыми кристаллами транзисторов и диодов. Суммарная мощность тепловых потерь, выделяемых электронными компонентами модуля, может достигать 10 кВт. Поэтому проблема обеспечения эффективного отвода тепла является одной из ключевых проблем силовой электроники.

Наиболее эффективный теплоотвод обеспечивается при непосредственном креплении электронного устройства к теплоотводящему корпусу или основанию. Основание силовых модулей выполняет две функции - рав-

1 Работа выполнена в рамках договора № 13.G25.31.0030 между ОАО «Электровыпрямитель» и Министерством образования и науки Российской Федерации об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.

номерного распределения температуры от полупроводниковых приборов и передачи выделяемого тепла охладителю.

При высоких уровнях мощности в процессах включения и выключения, сопровождающихся термическим циклом, возникают проблемы с надежностью соединения электронного устройства с основанием из-за несовпадения коэффициентов теплового расширения (КТР) материалов, из которых они изготовлены. Возникающие при этом термические напряжения вызывают постепенное разрушение паяного соединения. Наступающее ухудшение теплового контакта влечет за собой повышение градиента температуры, перегрев и тепловое разрушение полупроводникового элемента.

Традиционно используемые в настоящее время теплоотводящие материалы для оснований (алюминий, медь и др.) не соответствуют требованиям, предъявляемым к новым приборам силовой электроники (высокий КТР, недостаточная теплопроводность, значительный вес или стоимость). Поэтому для повышения надежности этих сложных электронных устройств возникла проблема разработки доступных, высокоэффективных теплоотводящих материалов для оснований IGBT модулей, обладающих низким коэффициентом теплового расширения, высокой теплопроводностью, достаточно высокой прочностью и жесткостью.

Эффективным решением этой проблемы может быть использование оснований, изготовленных из металломатричного композиционного материала (ММКМ) на основе алюминиевого матричного сплава, армированного наполнителем - частицами карбида кремния [1—3], с высоким (до 70 %) содержанием SiC. Такой материал при низкой стоимости исходных материалов обладает невысокой плотностью, регулируемым КТР, высокой теплопроводностью, прочностью и твердостью. Уникальное сочетание свойств матричного сплава и наполнителя позволяет путем изменения соотношения компонентов регулировать физические свойства получаемого ММКМ AlSiC.

Для получения ММКМ AlSiC необходимо решить ряд технологических проблем: обеспечить высокую объемную долю и равномерное распределение наполнителя (SiC) в алюминиевой матрице, исключить образование пустот и несплошностей в композиционном материале. Кроме того, поскольку высокая твердость и износостойкость получаемого материала затрудняет его механическую обработку, необходимо получать материал в виде полуфабриката, максимально приближенного по форме и размерам к готовому изделию.

1. Методика приготовления образцов

Исследуемые образцы ММКМ AlSiC были изготовлены во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов методом вакуумно-компрессионной пропитки предварительно сформированной пористой заготовки из порошков SiC. Основные технологические схемы компрессионной пропитки были предложены в 1970-х гг. [4]. Более совершенные установки компрессионной пропитки разработаны в России [5, 6].

Наиболее критичные физические свойства теплоотводящих изделий из ММКМ AlSiC, используемых в производстве IGBT модулей (теплопроводность и тепловое расширение), существенно зависят от плотности упаковки зерен порошка карбида кремния на стадии формования заготовки перед вакуумной пропиткой. Теоретические аспекты факторов, определяющих плотность упаковки частиц совершенной формы, описаны в работе [7]. Было по-

казано, что максимальная объемная концентрация сферических частиц достигает 0,625 для монофракционного состава и 0,84 для бинарной смеси. Исследования [8, 9] показали, что для получения высокоплотного материала достаточно ограничиться двумя фракциями карбида кремния, отличающимися размерами зерен в 7-10 раз.

Увеличение плотности упаковки шихты в заготовках может быть достигнуто заполнением пустот между твердыми частицами порошка частицами более мелких фракций. Теоретические и экспериментальные исследования предельной плотности упаковки полифракционных смесей порошков различных зернистостей и форм выполнены в работах [7, 10-12]. Было показано, что на плотность заполнения объема оказывают существенное влияние не только соотношение размеров частиц фракций и их форм, но и соотношение их долей, а максимум объемной концентрации бинарной смеси частиц наблюдается при парциальной доле фракции меньшего размера в диапазоне от 30 до 40 %.

Для получения объемной концентрации частиц достигающей 0,7, были изготовлены методом прессования образцы полифракционных смесей, содержащих порошки с размерами от 1 до 250 мкм. Перед прессованием проводили ситовое разделение порошков на необходимые фракции. После фракционирования порошки с жидким связующим перемешивали в турбулентном смесителе, прессовали, сушили в шкафу при температурах 120-150 °С и определяли объемное содержание карбида кремния в полученных образцах. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние состава шихты из порошков на объемную концентрацию карбида кремния в заготовке

№ Состав шихты, мкм Весовое содержание 8Ю, % Объемное содержание в пористой заготовке, %

1 90-125 90-50 50 50 64-65

2 125 90 70 30 60-62

3 200-250 90-125 63 60 25 15 62-64

4 160 90-50 70 30 64-65

5 200-250 90-125 60 40 70-71

6 125-90 63 80 20 67-68

7 90-125 7-10 90 10 71-72

Из представленных данных видно, что объемная концентрация карбида кремния в пористых заготовках, полученных методом прессования бинарной смеси порошков с размерами гранул 200-250 и 90-125 мкм, а также 90-125 и 7-10 мкм достигает значения 0,7. По результатам проведенных ис-

следований были подобраны промышленно выпускаемые порошки 8ІС, близкие по фракционному составу вышеуказанным смесям. Состав А состоял на 90 % из порошка марки Б60 и на 10 % из Б100, а состав Б - на 90 % из порошка марки Б100 и на 10 % из М10П.

Для улучшения смачивания гранул карбида кремния матричным сплавом и предотвращения роста фазы А14С3 в алюминиевый сплав необходимо вводить 5-10 % кремния [1, 2]. В связи с этим в качестве матричного материала был выбран алюминиевый сплав марки АК12оч.

2. Исследование микроструктуры ММКМ Л18ІС

Исследование микроструктуры металломатричного композиционного материала Л18ІС фракционного состава Б проводили на продольных и поперечных шлифах с помощью инвертированного металлографического микроскопа «Оіушрш» ОХ-71. На рис. 1 представлены типичные изображения поверхности шлифов, которые свидетельствуют об однородности микроструктуры ММКМ Л18ІС, отсутствии в материале макропор и трещин.

Рис. 1. Микроструктура поверхности продольного и поперечного шлифов образцов ММКМ Л18ІС (светлое поле - частицы карбида кремния, темное поле - матричный сплав алюминия), *50

Измерения параметров микроструктуры ММКМ AlSiC проводили на многофункциональном растровом электронном микроскопе с интегрированной системой фокусированного ионного пучка Quanta 3D FEG.

С целью получения информации о фрактографическом составе образцов исследовалась топография поверхности на их изломах. На рис. 2 представлены типичные электронно-микроскопические изображения излома образца ММКМ AlSiC при разных увеличениях. На рисунке видно, что излом образцов происходит по наиболее крупным зернам карбида кремния. Это свидетельствует о значительной адгезии на границах «матрица - наполнитель» и высокой механической прочности металломатричного композиционного материала.

Поскольку для эффективного теплоотвода теплопроводящее основание обычно соединяют с другими элементами конструкции модуля путем пайки, то на поверхность основания необходимо нанести покрытие, обладающее высокой адгезией с материалом основания и хорошей паяемостью, например никелевое покрытие.

Рис 2. Микроструктура образца ММКМ А1БЮ на изломе при различном увеличении

При попытке нанесения никелевого покрытия непосредственно на поверхность композита А181С были получены покрытия, содержащие несплош-ности слоя никеля, обусловленные низкой адгезией никеля с поверхностью частиц карбида кремния. Отсутствие сплошного никелевого покрытия на поверхности изделий из ММКМ А18Ю приводит к дефектам последующей пайки при сборке ЮБТ-модулей и ухудшению тепловых характеристик, механической прочности и надежности работы всего модуля.

С целью создания оптимальных условий для нанесения качественного паяемого никелевого покрытия в процессе пропитки на поверхности образцов был сформирован подслой матричного сплава. Толщина подслоя варьировалась от 40 до 60 мкм. На рис. 3 представлено типичное электронно-микроскопическое изображение торцевой поверхности образца ММКМ А18Ю с подслоем. Методом локального рентгеноспектрального анализа одновременно был исследован его элементный состав.

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение шлифа ММКМ Л1БІС со слоем матричного сплава на поверхности образца и элементный состав поверхностного слоя

3. Исследование термомеханических и теплофизических свойств ММКМ Л18ІС

Существенное влияние на надежность работы силовых ЮБТ модулей оказывает тепловое расширение и теплопроводность оснований из ММК Л1БІС.

Температурную зависимость коэффициента теплового расширения образцов ММКМ Л1БІС, изготовленных по вышеописанной технологии, измеряли на горизонтальном дилатометре Э1Ь402-С в интервале температур от 90 до 150 °С. Полученное линейной экстраполяцией к 20 °С среднее значение КТР исследованных образцов составило (6,2 ± 0,2) • 10-6 К-1.

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала определяли по формуле

X = аСрр,

где а - температуропроводность; Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении; р - плотность.

Среднее значение температуропроводности образцов ММКМ Л1БІС при 20 °С, измеренное методом лазерной вспышки на приборе ЬБЛ 457, составило (7,5 ± 0,2) • 10-7 м2/с. Измеренные на дифференциальном сканирующем калориметре ЭБС 823е значения удельной теплоемкости исследуемых образцов ММКМ Л1БІС в диапазоне температур от 5 до 35 °С приведены на рис. 4.

1.0

а>

О

^ 0.4 - -

а> . .

н

к - —н---------------------------н-н-н-н-н—

стз . _____М_____М______

^ 0.2 - -

О) - -

> -

0.0 Г .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I ... .

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Температура, °С

Рис. 4. Температурная зависимость удельной теплоемкости ММКМ А181С

Среднее значение коэффициента теплопроводности ММКМ А1Б1С при 20 °С (с учетом измеренной методом гидростатического взвешивания плотности (3,01 ± 0,01) • 103 кг/м3) составило 159 ± 6 Вт/(м • К).

Заключение

Проведенные исследования показали, что изготовленный металломатричный композиционный материал А1Б1С по его теплофизическим параметрам может быть успешно использован для производства оснований ЮБТ модулей.

Список литературы

1. Gilleo, K. MEMS/MOEMS Packaging Concepts, Designs, Materials, and Processes / Ken Gilleo // McGraw-Hill Nanoscience and Technology Series. - 2005.

2. Occhionero, M. A. AlSiC for Optoelectronic Thermal Management and Packaging Designs / Mark A. Occhionero, Richard W. Adams, Dave Saums // Ceramics Process Systems, chartley MA 02712-0338. - 2001. - P. 1-5.

3. Occhionero, M. A. AlSiC Baseplates for Power IGBT Modules / M. A. Occhionero, K. P. Fennessy, R. W. Adams, G. J. Sundberg // Design, Performance and Reliability, Ceramics Process Systems, 2003.

4. Maire, J. Carbon Fibers Proc. Int. Carbon Fibers Conf / J. Maire, R. Gremion, J. Rappeneou. - L., 1971. - P. 107-112.

5. Авт. свид. СССР № 582051, МКИ В22 d 19/00 / Крючков И. Б., Алабушев А. Е. и др. ; заявл. 30.03.1976 ; опубл. 13.06.1985.

6. Авт. свид. СССР № 416155, МКИ В22 d 19/02 / Сысолин Г. В., Степанов Б. Н. -№ 1731065 ; заявл. 27.12.1971 ; опубл. 25.12.1974.

7. McGeary, R. K. Mechanical packing of spherical particles / R. K. McGeary // J. Amer. Ceram.Soc. - 1961. - № 44. - P. 513-522.

8. Дыбань, Ю. П. Влияние фракционного состава формовочных смесей на свойства самосвязанного карбида кремния / Ю. П. Дыбань, З. В. Сичкарь, Л. А. Ши-пилова // Порошковая металлургия. - 1982. - № 6. - С. 16-23.

9. Дыбань, Ю. П. Структурно-технологические аспекты прочности самосвязанного карбида кремния (СКК) / Ю. П. Дыбань (Препр. НАН Украины. 98-1) ИПМ им. И. Н. Францевича НАН Украины. - Киев, 1998. - 64 с.

10. Ха Shijie Liu. Prediction of random packing limit for multimodal particle mixture / Ха Shijie Liu, Zhanyao Ha // Powder Technology. - 2002. - № 126. - P. 283-296.

11. Takashi Itoh. Relation between Packing Density and Particle Size Distribution in Random Packing Models of Powders / Takashi Itoh, Yoshimoto Wanibe, Hiroshi Sakao // J. of the Institute of Metals. - 1986. - V. 50, № 8. - Р. 740-746.

12. Kansal, A. R. Computer generation of dense polydisperse sphеre packings /

A. R. Kansal, S. Torquato, F. H. Stillinger // Journal of Chemical Physics. - 2002. -V. 117, № 18. - P. 8212-8218.

Нищев Константин Николаевич

кандидат физико-математических наук, доцент, директор Института физики и химии, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: nishchev@inbox.ru

НовопольцевМихаил Ильич

кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: nishchev@inbox.ru

Nishchev Konstantin Nikolaevich Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, director of the Institute of physics and chemistry, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Novopoltsev Mikhail Ilyich Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, sub-department of general physics, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Фомин Николай Егорович

кандидат физико-математических наук, профессор, первый проректор - проректор по учебной работе, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: nishchev@inbox.ru

Юдин Вячеслав Александрович

кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики твердого тела, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: nishchev@inbox.ru

Щетанов Борис Владимирович доктор технических наук, начальник научно-исследовательского отделения, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов

E-mail: admin@viam.ru

Елисеев Вячеслав Васильевич

кандидат технических наук, заместитель генерального директора, ОАО «Электровыпрямитель»

E-mail: nishchev@inbox.ru

Fomin Nikolay Egorovich Candidate of physical and mathematical sciences, professor, first vice-rector -vice-rector for academic affairs, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Yudin Vyacheslav Alexandrovich Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, sub-department of solid body physics, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Shchetanov Boris Vladimirovich Doctor of engineering sciences, head of research department, All-Russia Research Institute of Aircraft Materials

Eliseev Vyacheslav Vasilyevich Candidate of engineering sciences, deputy general manager, “Elektrovypryamitel” plc.

Эмих Лилия Александровна Amikh Liliya Alexandrovna

главный технолог, Senior product engineer,

ОАО «Электровыпрямитель» “Elektrovypryamitel” plc.

E-mail: nishchev@inbox.ru

УДК 538.95 Нищев, К. Н.

Исследование физических свойств металломатричного композиционного материала AlSiC / К. Н. Нищев, М. И. Новопольцев, Н. Е. Фомин,

В. А. Юдин, Б. В. Щетанов, В. В. Елисеев, Л. А. Эмих // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. -2011. - № 4 (20). - С. 78-85.