ATE: 基于液態(tài)金屬擠壓浸滲技術(shù)的A356/SiC熱擴(kuò)散器開發(fā)及其電子器件高效散熱性能研究

論文信息：

Visakh Manoj, Akbar Shanu, A.G.Arsha, Vivek Bharti, V.Srinivasa Rao, V.Sajith, T.P.D.Rajan, Development of A356/SiC heat spreader by liquid metal squeeze infiltration for efficient heat removal from electronic devices, Applied Thermal Engineering 296 (2026) 130739

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130739

Part.1

研究背景

高功率電子技術(shù)的顯著進(jìn)步要求更好的散熱材料，這些材料需要具備高導(dǎo)熱系數(shù)（TC）和較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）。

Al/SiC金屬基復(fù)合材料體系通常以其低熱膨脹系數(shù)值（6–10 ppm/K）、160–210 GPa的楊氏模量以及180至210 W/mK的高導(dǎo)熱系數(shù)而著稱。制備Al/SiC復(fù)合材料采用了不同的加工方法，例如固態(tài)加工和液態(tài)加工。固態(tài)加工包括擴(kuò)散連接和粉末冶金，而液態(tài)加工包括攪拌鑄造、復(fù)合鑄造、離心鑄造和液態(tài)金屬浸滲。在所有這些方法中，液態(tài)金屬浸滲是一種制備Al/SiC復(fù)合材料，尤其是在熱管理應(yīng)用方面，特別高效且先進(jìn)的技術(shù)。值得注意的是，液態(tài)金屬擠壓浸滲技術(shù)通過精確控制浸滲參數(shù)，提供了一種生產(chǎn)具有顯著改善熱性能的Al/SiC復(fù)合材料的新方法。

論文采用馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）作為一種非侵入式光學(xué)方法，通過檢測加熱表面上方的空氣折射率變化來測量瞬態(tài)對流傳熱。另外，論文選擇A356合金作為基體材料，是因?yàn)槠淞己玫臒嵝阅芎土W(xué)性能，以及優(yōu)異的流動性和鑄造性，以確保SiC預(yù)制件的有效浸滲。通過液態(tài)金屬擠壓浸滲制備了SiC體積分?jǐn)?shù)從20%到65%的復(fù)合材料。論文對擠壓浸滲A356/SiC復(fù)合材料的加工、結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進(jìn)行了全面評估，并確立了它們作為先進(jìn)熱擴(kuò)散器材料的潛力，能夠滿足現(xiàn)代電子、汽車和航空航天應(yīng)用中日益增長的熱管理需求。

Part.2

研究內(nèi)容

將所得SiC粉末用丙酮清洗并超聲處理以去除雜質(zhì)，然后進(jìn)行干燥。將干燥后的SiC粉末與作為合適粘結(jié)劑的鋁粉充分混合。采用PEG作為造孔劑。將SiC、Al粉和PEG的均勻混合物放入預(yù)制件模具中。將混合物在室溫下以25 MPa的壓力進(jìn)行液壓壓制。壓制后的生坯SiC預(yù)制件進(jìn)一步進(jìn)行熱處理，該熱處理工藝包括以2 °C/min的升溫速率加熱至750 °C并保溫1小時(shí)。熱處理后的預(yù)制件表現(xiàn)出足夠的機(jī)械完整性和良好連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)。

圖1為SiC預(yù)制件制備過程的示意圖。圖2為65% SiC體積分?jǐn)?shù)的多孔SiC預(yù)制件的照片。

圖 1多孔預(yù)制件制備工藝流程示意圖

圖 2熱處理后的65% SiC預(yù)制件

通過對熔融金屬施加60 MPa的壓力進(jìn)行擠壓浸滲，使其能夠滲透過多孔預(yù)制件。保壓壓力為60 MPa，保壓時(shí)間為2-3分鐘以完成凝固過程。采用快速冷卻速率以抑制碳化鋁的形成。圖3為液態(tài)金屬擠壓浸滲過程的示意圖。

圖 3液態(tài)金屬擠壓滲流工藝示意圖

采用MZI（馬赫-曾德爾干涉儀）裝置，對T6熱處理后的A356合金和A356/65% SiC復(fù)合材料（具有更高的熱導(dǎo)率TC）進(jìn)行了對流換熱研究。光學(xué)配置和數(shù)據(jù)處理流程遵循了作者在其前期工作[33,37]中所采用的方法。光學(xué)裝置的示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置的照片分別如圖4a和圖4b所示。

圖 4MZI實(shí)驗(yàn)裝置 (a) 示意圖 (b) 實(shí)驗(yàn)裝置照片

采用紅外熱成像技術(shù)來繪制從底部均勻加熱的試樣表面溫度分布圖。為了進(jìn)行研究，試樣被制成圓形，直徑為20 mm，厚度為5 mm。為了減少與發(fā)射率相關(guān)的不確定性，兩個(gè)表面均噴涂了薄而均勻的石墨涂層（KONTAKT CHEMIE – GRAPHIT 33，比利時(shí)）。將試樣置于平板加熱器上，通過自耦變壓器提供10 W的恒定輸入功率。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖5所示。

圖 5用于底部均勻加熱條件下表面溫度測量的紅外熱成像裝置示意圖

圖6顯示了用作增強(qiáng)體的原始α-SiC顆粒的SEM圖像。可以觀察到SiC顆粒具有不規(guī)則的形貌。EDS分析證實(shí)了硅（Si）、碳（C）和少量氧（O）的存在。

圖7顯示了經(jīng)熱處理的65% SiC多孔SiC預(yù)制件的SEM圖像。由于造孔劑（PEG）被去除而形成的相互連通的孔洞有利于熔融A356的順利浸滲。從SEM圖像可以明顯看出，添加的鋁粉熔化并部分鋪展在SiC表面，將它們結(jié)合在一起，并為預(yù)制件提供了足夠的強(qiáng)度。EDS分析顯示了碳（C）、氧（O）、鋁（Al）和硅（Si）的存在。

圖 6綠色α-SiC顆粒的SEM/EDS分析結(jié)果

圖 7多孔SiC預(yù)制件的 (a) 和 (b) SEM圖像，(c) EDS能譜分析

圖8顯示了A356/SiC復(fù)合材料（圖8a、8b）及其界面（圖8c、8d）的SEM/EDS結(jié)果。表明顆粒分布均勻，無任何團(tuán)聚現(xiàn)象，且顆粒之間的浸滲得到了改善。圖8c描繪了A356/SiC界面，顯示出A356和SiC之間強(qiáng)的界面結(jié)合，這主要?dú)w因于有效的浸滲和增強(qiáng)的冶金結(jié)合。界面顯得清晰、潔凈，沒有裂紋、缺陷或有害的反應(yīng)層。圖8e-8j則顯示了界面區(qū)域的元素面分布圖。

圖 8(a) 和 (b) A356/SiC復(fù)合材料的SEM圖像及EDS能譜分析(c) 和 (d) A356/SiC界面區(qū)域的SEM圖像及EDS能譜分析(e-j) A356/SiC界面區(qū)域的元素面分布圖

界面附近的線EDS（圖9a-f）顯示了元素沿水平掃描路徑的分布情況。硅的線掃描結(jié)果顯示，在A356/SiC界面附近存在硅富集。這可以歸因于凝固過程中共晶硅在SiC顆粒上的形核。

另外，圖10（a-h）顯示了A356合金和擠壓浸滲A356/SiC復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織，其中白色區(qū)域?yàn)锳l基體，深色不規(guī)則圖案代表增強(qiáng)的SiC。在凝固過程接近結(jié)束時(shí)，A356的枝晶間相和共晶相在所開發(fā)的復(fù)合材料中的SiC顆粒上聚集（圖9a和9c）。此外，圖10（c-h）顯示了SiC顆粒在Al基體中的均勻分散，在Al-SiC復(fù)合材料中，每個(gè)顆粒都被Al晶粒所包圍。

圖 9(a-f) A356/SiC界面區(qū)域的線掃描EDS分析

圖 10(a) A356合金（鑄態(tài)）(b) A356合金（T6熱處理態(tài)）(c) A356 + 20% SiC(d) A356 + 30% SiC(e) A356 + 40% SiC(f) A356 + 50% SiC(g) A356 + 60% SiC(h) A356 + 65% SiC 的光學(xué)顯微照片

在圖11中，展示了A356合金和不同SiC體積分?jǐn)?shù)（20–65%）的A356/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜。顯示復(fù)合材料中除Al、Si和SiC外不存在其他組分。在A356/SiC復(fù)合材料的XRD譜圖中未觀察到氧化物的形成。這些發(fā)現(xiàn)表明，在整個(gè)燒結(jié)和浸滲過程中，Al和SiC之間保持了穩(wěn)定的界面，幾乎沒有固態(tài)反應(yīng)的證據(jù)。這對導(dǎo)熱系數(shù)有著重要影響。且由于受控的工藝參數(shù)和方法，沒有發(fā)生界面反應(yīng)。

圖 11A356合金及不同SiC體積分?jǐn)?shù)A356/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜

如圖12，測量了不同SiC體積分?jǐn)?shù)（20–65%）的A356合金和A356/SiC復(fù)合材料的布氏硬度。隨著SiC體積百分比的增加，觀察到硬度明顯上升。隨著SiC加入到A356合金中，復(fù)合材料的位錯(cuò)密度也增加了。此外，增強(qiáng)材料（SiC）與基體（A356）之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面附近產(chǎn)生應(yīng)變硬化，這阻止了壓入過程中的位錯(cuò)運(yùn)動，從而提高了復(fù)合材料的硬度。記錄到的最高硬度為A356/65% SiC的208 BHN，而T6熱處理后A356合金的硬度為102 BHN。這種增加歸因于T6熱處理后較軟的基體區(qū)域發(fā)生沉淀硬化

圖 12鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下A356合金及A356/SiC復(fù)合材料的布氏硬度

如圖13和圖14，對多孔SiC預(yù)制件、A356合金以及鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下的A356/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測量（ASTM E9-89a）。SiC體積分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致預(yù)制件具有更高的抗壓強(qiáng)度。在較低體積分?jǐn)?shù)下抗壓強(qiáng)度的降低是由于預(yù)制件具有較高的孔隙率。在較高體積分?jǐn)?shù)下，致密堆積的增強(qiáng)體與Al粘結(jié)劑改善的結(jié)合效果的共同作用，使預(yù)制件能夠承受更高的壓縮載荷。

圖 13不同SiC體積分?jǐn)?shù)下SiC預(yù)制件的抗壓強(qiáng)度

圖 14鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下A356合金及A356/SiC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度

圖15顯示了A356/SiC復(fù)合材料在壓縮載荷下的SEM斷口形貌。樣品呈現(xiàn)出一種以韌性和脆性斷裂相結(jié)合的斷裂模式。斷裂始于SiC顆粒或A356/SiC界面處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒斷裂或界面脫粘。在這些位置萌生的裂紋穿過脆性SiC擴(kuò)展，然后要么被止住，要么繼續(xù)穿過發(fā)生韌窩形成的韌性基體（圖15b）。在斷口表面還觀察到了顆粒破碎（黃色圓圈）、界面脫粘（綠色箭頭）以及由高剪切引起的河流花樣（圖15a）。

圖 15A356/SiC復(fù)合材料壓縮斷口的SEM圖像

采用阿基米德原理（ASTM D792）計(jì)算了A356合金和A356/SiC復(fù)合材料的相對密度。如圖16所示，將SiC增強(qiáng)體（密度：3.21 g/cm3）加入到基體合金中導(dǎo)致密度增加。SiC體積分?jǐn)?shù)的增加，因其具有更高的密度，對復(fù)合材料的密度產(chǎn)生更大的影響，從而導(dǎo)致整體密度的增加。

圖 16A356/SiC金屬基復(fù)合材料（MMC）的密度——實(shí)驗(yàn)值與理論值

清洗后的SiC顆粒在空氣氣氛中進(jìn)行了最高1000 °C的TGA分析。從圖17可以觀察到，SiC顆粒在高達(dá)1000 °C時(shí)仍是熱穩(wěn)定的。因此，預(yù)制件可以在任何低于1000 °C的溫度下進(jìn)行預(yù)熱。

A356合金和A356/SiC復(fù)合材料的TGA曲線（室溫至1000 °C，空氣氣氛）如圖18所示。觀察到A356/SiC復(fù)合材料和A356合金在700 °C以上均有輕微的質(zhì)量增加，這歸因于A356在空氣氣氛中的氧化。A356合金發(fā)生了最大程度的氧化，導(dǎo)致材料重量增加了4.52%。由于存在熱穩(wěn)定的SiC顆粒，所有其他復(fù)合材料表現(xiàn)出較小的增重。

圖 17SiC粉末的熱重分析（TGA）曲線

圖 18A356合金及A356/SiC復(fù)合材料的熱重分析（TGA）曲線

不同SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的A356/SiC復(fù)合材料以及A356合金在鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果如圖19所示。復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加可直接歸因于SiC體積分?jǐn)?shù)的提高。

圖20展示了A356/SiC復(fù)合材料在熱處理前后從室溫到250 °C范圍內(nèi)的平均CTE變化；并將相應(yīng)的CTE值與擠壓鑄造A356合金的CTE值進(jìn)行了比較。與A356基體合金相比，加入A356基體中的SiC顆粒具有較低的CTE值。所有復(fù)合材料的CTE值均低于基體合金。

圖 19鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下A356合金及A356/SiC復(fù)合材料在室溫（RT）下的熱導(dǎo)率

圖 20鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下A356合金及A356/SiC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）

在10 W恒定輸入功率下，作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行了馬赫-曾德爾干涉測量，以捕捉試樣在相同熱邊界條件下的瞬態(tài)散熱行為，而不是依賴于固定表面溫度下的比較。

圖21a–d顯示了使用馬赫-曾德爾干涉儀在A356和A356/65% SiC復(fù)合材料自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)中采集的干涉圖。圖21a顯示了干涉圖的初始狀態(tài)，具有與加熱表面成90°角的筆直、平行條紋。這表明環(huán)境空氣是均勻的，并且沒有溫度引起的折射率變化。圖21b顯示了A356試樣的干涉圖，對應(yīng)于100 °C的表面溫度，顯示出靠近表面處平均條紋偏轉(zhuǎn)為85°。如圖21c所示，表明熱量向表面的傳輸更快。圖21d顯示了在430秒結(jié)束時(shí)A356/SiC復(fù)合材料試樣獲得的條紋圖案，其平均條紋偏轉(zhuǎn)為82.3°，而A356試樣為85°。盡管平均條紋偏轉(zhuǎn)角差異不大，但干涉測量技術(shù)對溫度引起的折射率微小變化非常敏感，這些變化直接影響計(jì)算得到的傳熱參數(shù)。

根據(jù)干涉圖估算條紋偏轉(zhuǎn)角，并使用Naylor方程來確定對流傳熱通量（q）和有效傳熱系數(shù)（h）。圖22顯示了在相同條件下，A356和A356/SiC復(fù)合材料試樣的傳熱系數(shù)和熱通量的比較。

圖 21底部均勻加熱條件下的馬赫-曾德爾干涉圖：(a) 初始狀態(tài)(b) A356在100°C時(shí)（t = 430 s）(c) A356/65% SiC在100°C時(shí)（t = 330 s）(d) A356/65% SiC在430 s結(jié)束時(shí)

圖 22A356與A356-65% SiC板材換熱性能的比較

圖23a-f展示了一系列紅外熱成像圖，說明了A356和A356/65% SiC復(fù)合材料樣品的熱行為。這些圖像在相同的均勻加熱條件下，以相等的時(shí)間間隔采集。如圖23a所示，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)兩個(gè)樣品均處于室溫，呈現(xiàn)一致的藍(lán)色，從而確認(rèn)了相同的初始條件。

在初始階段，A356/SiC復(fù)合材料樣品中觀察到的向黃色和紅色的強(qiáng)烈顏色變化（圖23b-f）表明，與A356樣品相比，其具有持續(xù)更高的平均表面溫度。在A356/SiC復(fù)合材料表面觀察到的均勻顏色分布，證明了其在面內(nèi)和面外方向上均具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，驗(yàn)證了其在恒定熱負(fù)荷下具有更高的散熱能力。

圖 23a-f在相同的底部均勻加熱條件下，A356（左側(cè)）與A356/65% SiC復(fù)合材料（右側(cè)）樣品的時(shí)序紅外熱像圖

圖24展示了所開發(fā)復(fù)合材料中一種合理的導(dǎo)熱機(jī)理。熱載流子（自由電子和聲子）的散射可能發(fā)生在A356基體的晶界、A356/SiC界面以及金屬間相處。在A356/SiC界面處以及由界面缺陷引起的電子-聲子散射阻礙了A356/SiC復(fù)合材料中的熱傳導(dǎo)。這種散射隨著界面面積、缺陷密度的增加以及熱阻的增大而加劇；其結(jié)果是導(dǎo)熱系數(shù)降低。

圖 24A356/SiC復(fù)合材料在T6熱處理前(a)和熱處理后(b)的熱傳導(dǎo)機(jī)理示意圖

Part.3

研究總結(jié)

已證明，采用液態(tài)金屬擠壓滲流技術(shù)可以制備A356/SiC復(fù)合材料。論文研究了SiC體積分?jǐn)?shù)（20%-65%）對A356/SiC復(fù)合材料熱學(xué)性能和力學(xué)性能的影響。本研究得出以下結(jié)論：

1. A356/65% SiC復(fù)合材料經(jīng)T6熱處理后，其硬度和抗壓強(qiáng)度分別提高至208 BHN和496 MPa。

2. 將高導(dǎo)熱性的SiC顆粒引入A356基體中，增強(qiáng)了復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳輸，使得經(jīng)T6熱處理后，A356/65% SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率相比A356合金提高了19%。

3. 由A356基體與SiC顆粒之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，連同良好的界面結(jié)合，共同影響了材料的熱膨脹行為，導(dǎo)致A356/65% SiC復(fù)合材料經(jīng)T6熱處理后的CTE降低了54%。

4. 干涉測量分析表明，在相同的熱邊界條件下，A356/65% SiC復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的換熱系數(shù)和熱流密度。

5. 紅外熱成像進(jìn)一步證明了該復(fù)合材料更快速、更均勻的表面溫度變化過程，證實(shí)了A356/65% SiC復(fù)合材料具有更優(yōu)的熱分布能力。

綜上，通過液態(tài)金屬擠壓滲流技術(shù)開發(fā)的近凈成形A356/65% SiC復(fù)合材料，兼具低CTE和高熱導(dǎo)率，為現(xiàn)代熱管理提供了一種可行的解決方案，適用于航空電子、雷達(dá)、國防電源模塊以及高功率工業(yè)和電動汽車電力電子領(lǐng)域中的導(dǎo)熱基板、均熱片和結(jié)構(gòu)式散熱器等應(yīng)用。

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