电子封装用低膨胀高导热SiCp/Al复合材料研究进展

孙晓晔，汪 涛

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 211100）

1 前言

随着集成电路集成度不断提高，单位面积发热量增多。由于目前的封装材料不能有效散热，芯片30%的性能被限制发挥[1]。当前先进封装技术对理想电子封装材料的要求是[2～3]：（1）有较高的热导率，能够将半导体芯片在工作时产生的热量及时散发出去，以免芯片温度过高而失效；（2）有较低的与Si或GaAS等芯片相匹配的热膨胀系数，以免芯片因热应力损坏；（3）有足够的强度和刚度，对芯片能起到支承和保护作用；（4）成本要尽可能低，且在某些特殊场合还要求密度尽可能小。传统的电子封装材料，如塑封料、陶瓷封装材料、金属封装材料已不能满足以上的高性能要求，复合型封装材料成为一些发达国家的研究对象，其中最受青睐的是SiC颗粒增强铝基复合材料。

2 SiCp/Al复合材料的性能与应用

SiC颗粒性能优异，成本低廉，而且具有低密度（ρ=3.2g·cm-3）、低热膨胀系数（α=4.7×10-6K-1）、高杨氏模量（E=450GPa）等优点。Al作为基体材料，具有高导热（170W·m-1K-1～220W·m-1K-1）、低密度（2.7g·cm-3）、价格低廉和易于加工等优点。将SiC和Al复合后，结合两者的优点，获得高导热率、低膨胀系数、高强度、低密度、导电的理想封装材料。SiCp/Al的热膨胀系数可通过SiC的含量来调节，而要满足封装要求，SiC的体积分数通常要在55%以上[4]。

表1为不同组分的SiCp/Al复合材料的性能[5]。

表1 SiCp/Al的组分及性能

从20世纪80年代开始，国外对SiCp/Al电子封装复合材料的研究已经从试验阶段步入实用阶段，首先在航空航天、光学、仪表等领域取得实际应用。在军用电子产品方面，包括军用混合电路、微波管的载体、多芯片组的热沉和超大功率模块的封装，均取得较好的效果[6]。美国在多个军事工程，特别是航空航天中已规模化使用这种材料，例如在F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、抬头显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上，替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯，取得了减重70%的显著效果。由于此种材料的导热率高达180W·m-1K-1，从而降低了电子模块的工作温度，减少了冷却的需要，还被用于F-22战斗机的电子元器件基座及外壳等热控结构[7]。国外也有采用这种电子封装材料取代W/Cu合金作为高性能飞机上相控阵雷达的微波功率管封装底座，减重80%以上，同时成本有所降低，电路体积减小，可靠性提高[8]。

在民用方面，美国CPS公司采用压力熔渗法生产的SiCp/Al产品广泛应用于FC微处理器、微波电路及光电子封装外壳、大功率及功率转换器件的IGBT基板以及高亮度LED基板[9]。国内某微电子公司已于2007年2月投产亚洲第一条SiC/Al生产线，该公司采用无压渗透技术，能提供3mm×3mm×0.5mm～156mm×156mm×10mm的SiCp/Al系列平板[5]。图1是目前应用的部分SiCp/A1电子封装产品。

3 低膨胀高导热SiCp/Al复合材料制备方法

3.1 SiCp/Al复合材料常用制备方法

目前国内外制备SiCp/Al复合材料的工艺有很多种，如粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法、无压渗透法、压力铸造法等。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是最悠久的制备颗粒增强金属基复合材料的方法，其工艺过程为：将SiC颗粒、铝粉和粘合剂混合压制成形后脱脂，加热至固相线温度以上进行热压烧结或挤压烧结。近年来，粉末冶金发展了冷等静压、真空除气、真空烧结等新工艺[10]。其最大优点在于成分配比的自由度宽，可很好地控制复合材料的成分，从理论上讲增强体的加入量可任意调节；由于成型温度低于基体合金的熔点，减轻了基体与增强体间的界面反应，减少了界面硬质合金物对材料性能的不利影响。但用粉末冶金法制备SiCp/A1复合材料的不多，其原因是烧结过程不易控制，造成材料中孔隙多，内部组织不均匀，必须进行二次塑性加工，工业化成本较高；同时粉末冶金法所制零件的结构和形状都有所限制。

王晓阳等[11]将冷压成形的压坯于650℃～690℃在真空炉中保温热压制得SiC体积分数为50%、55%、60%的3种复合材料，颗粒分布均匀，组织致密，其中60vol%的SiCp/Al在25℃～100℃的热膨胀系数介于（6.7～8.4）×10-6K-1之间，导热系数为145W（m·K）-1左右，能较好地满足封装需要。美国Polese公司采用全自动精确压制成近成形坯体，后烧结获得近净形的50%～70%SiCp/Al复合材料[5]。

图1 应用SiCp/Al的电子封装产品

3.1.2 喷射沉积法

喷射沉积法是1969年由A.R.E.singer发明的一种制备金属基复合材料的技术[12]。该工艺是在坩埚底部开一个小孔，当熔融铝合金液流出后，将颗粒增强相加入液流中，然后用高速惰性气体将基体与颗粒混合物分散成细液滴使其雾化，颗粒及雾化流喷射到基底上共同沉积成金属复合材料[13]。

图2 喷射沉积法示意图

由于喷射沉积的快速凝固特性，与传统铸造工艺相比有较高的冷却速度（10K·s-1～102K·s-1），能够获得晶粒细小、无宏观偏析的微晶组织，从而提高了材料的综合性能。而且增强相与基体熔液接触时间短，界面的化学反应易于控制。由于喷粉和材料复合一步完成，减少了各种制造和加工中间环节，效率高，有利于实现工业化生产。但其缺点是成本较高、沉积速度较慢。此外，这种方法制备生产的SiCp/Al复合材料中SiC最大体积百分含量少于55%，不能满足封装要求。

3.1.3 搅拌铸造法

搅拌铸造法采用机械、电磁、超声波等搅拌工艺使增强体均匀分散到金属液中得到悬浮浆料，然后直接浇入金属模型中，使其快速凝固，可制备体积分数为10%～40%的复合材料[16]。袁广江等[17]先将A356铸锭放入坩埚内熔化，N2除气5min，之后将SiC粉注入坩埚内铝液上部，盖上炉盖，放入搅拌器，搅拌2h后浇铸。对复合材料进行T6热处理，在540℃固溶处理保温12h后，在70℃～80℃水中淬火，170℃时效保温6h后空冷。成功制备了20vol%SiC颗粒增强A356基复合材料，抗拉强度319MPa，弹性模量98.9GPa，延伸率1.4%。Naher[18]等人的研究表明影响颗粒在Al基体中分布均匀性的因素有搅拌速度、颗粒尺寸、搅拌叶轮旋向等。

搅拌铸造的过程中，由于SiC与铝液润湿性差，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，因此必须对SiC颗粒进行一定的表面处理，还可以抑制两者间的界面反应。此方法的突出优点是设备简单、工艺易控制、成本低，适合大批量工业化生产。由于在SiC含量方面的限制，难以获得与芯片相匹配的热膨胀系数，国内少有研究其在制备电子封装材料方面的应用。

图3 搅拌铸造法示意图

3.1.4 熔渗法

（1）无压渗透

无压渗透法是生产具有高增强体复合材料的最有效方法之一。它是美国Lanxide公司研究和发明的一种新型复合材料成型工艺（PRIMEXTM）[19]，实现了高体积分数金属基复合材料的净成型。由于共价键结合的SiC与金属键结合的Al化学相容性差，在900℃以下根本不润湿，需要改善界面的润湿性，主要方法有：在基体Al中添加能降低金属熔体表面张力和破坏表面Al2O3层的元素，如Mg、Si；颗粒表面改性处理，在SiC表面涂覆一层与Al反应或润湿性较好的金属涂层，最常用的涂层材料有Ni、Cu；优化工艺参数，如熔渗温度、保温时间、熔渗气氛等。该工艺使用的基体合金为Al-Mg合金，当使用SiC作为增强体时往往还加入一定量的Si以减少SiC/Al之间的界面反应。在一定温度下（一般为大于800℃），基体合金中Mg缓慢挥发，扩散至陶瓷预成型坯中，与作为保护气氛的氮气发生反应，而在粉体表面生成氮化镁（Mg3N2），液态铝与表面的Mg3N2接触，通过一系列的化学反应促进铝合金液的浸渗，并最终实现无压浸渗。其过程为将基体合金铸锭放在陶瓷颗粒制成的预制体上，在氮气气氛下，加热至铝合金熔点以上，保温至完全渗透。

由于该工艺过程简单，不需要昂贵的真空或压力设备，故而成本低廉，陶瓷增强相体积分数高以及近净成型加工等特点，近几年受到国内外广泛重视。该工艺需要气体保护，这也是其局限所在。另外，增强体某些部位不能完全渗透，产品中存在少量气孔，生产过程时间较长。目前，德国DMC2和美国TTC公司已使用无压渗透法制备出SiCp/Al复合材料电子封装产品[5]。

图4 无压渗透法示意图

（2）压力铸造

压力铸造法是适合大规模生产铝基复合材料的主要工艺之一，近年来得到了很快的发展，在颗粒、晶须或短纤维增强的实用铝基复合材料的制造中应用最多，且最为成功。

图5 压力铸造法示意图

其工艺过程是把SiC颗粒或晶须制成所需形状（预制块），然后让铝或铝合金液在压力作用下渗入到含有孔隙的预制块内，制成复合材料[20]。于晓东等[21]将粒径200μm的粗SiC颗粒与10μm的细颗粒按不同配比混合，加入水、粘结剂充分搅拌后烘干，干压成型。随后在1 100℃，4h氧化处理，获得具有一定强度的预制块。压铸模和预制块预热温度为590℃，铝合金浇注温度为850℃，立即加压使铝液渗入预制块，在65MPa压力下保压5min，凝固完成后泄压取出铸件。制得的复合材料中陶瓷的体积分数最大值达到75%。Zhang等[22]向预热的750℃模具中加入500℃的SiC预制体后，在100MPa的压力下保压5min使铝液渗入，制得SiC体积分数为50%～70%，抗弯强度为370MPa，热膨胀系数为（8.3～10.8）×10-6℃-1的铝基复合材料。

压力铸造法制备复合材料工艺难度相对较大，主要是制备预成形坯块比较困难，强度不高，预制块在压渗过程中易崩溃，而且金属熔体不易充分地渗入到预成形坯内。最近的研究表明，通过增大压力的方法可以实现熔铝在预成形坯中的渗透[23]。

3.2 低膨胀高导热SiCp/Al复合材料的制备方法分析

由于制备原理、工艺过程及所用设备不同，每种制备方法各有优缺点，表2为各种制备工艺的比较。

表2 SiCp/Al复合材料制备工艺比较

可以看出，搅拌铸造法、喷射沉积法无法制备高体积分数的SiCp/Al复合材料，而粉末冶金法、压力铸造法均存在成本过高或工艺复杂的缺点。SiCp/Al复合材料机械加工较困难，而电子封装构件形状一般比较复杂，要求其具有较好的净成型工艺。无压渗透法具有成本低廉、工艺简单、净成型等优势，是具有很好发展前景的工艺方法。目前需要进一步研究其渗透均匀性，Al液在SiC颗粒间隙中渗透阻力较大的地方不易渗透，产品易存在缺陷；Al-SiC的界面结合状况，包括研究基体成分对界面结合状况乃至对材料热性能的影响；对SiC进行表面处理，探索润湿机理，从而改善润湿性，如何在空气气氛中有效地实现无压渗透将是研究重点之一。

4 结束语

综上所述，SiCp/Al基复合材料作为一种新型电子封装材料有着广阔的应用前景，国外在基础研究和应用研究方面已取得很大进展，少数国家已进入生产应用阶段，取得了显著经济效益。与国外相比，国内在这方面的研究与应用水平还有一定的差距。从性能上看，相同体积分数的SiCp/Al封装材料，热膨胀系数与密度已达到国外产品指标，但在产品尺寸精度的控制上还存在较大差距。总之，随着科学技术的不断发展及电子技术领域研究的不断深入，SiCp/Al电子封装复合材料的基础理论及制备技术将会有重大突破，但任务也相当艰巨。

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