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供鋁碳化硅復合材料

2017-02-22 王帆

詳細信息

鋁碳化硅（AlSiC）金屬基熱管理復合材料，是電子元器件專用電子封裝材料，主要是指將鋁與高體積分數的碳化硅復合成為低密度、高導熱率和低膨脹系數的電子封裝材料，以解決電子電路的熱失效問題。

   特性概況：1) AlSiC具有高導熱率（170～200W/mK）和可調的熱膨脹系數（6.5～9.5×10-6/K），因此一方面AlSiC的熱膨脹系數與半導體芯片和陶瓷基片實現(xiàn)良好的匹配，能夠防止疲勞失效的產生,甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上；另一方面AlSiC的熱導率是可伐合金的十倍，芯片產生的熱量可以及時散發(fā)。這樣，整個元器件的可靠性和穩(wěn)定性大大提高。

                  2) AlSiC是復合材料，其熱膨脹系數等性能可通過改變其組成而加以調整，因此電子產品可按用戶的具體要求而靈活地設計，能夠真正地做到量體裁衣，這是傳統(tǒng)的金屬材料或陶瓷材料無法作到的。

                  3) AlSiC的密度與鋁相當，比銅和Kovar輕得多，還不到Cu/W的五分之一，特別適合于便攜式器件、航空航天和其他對重量敏感領域的應用。

                  4) AlSiC的比剛度（剛度除以密度）是所有電子材料中最高的：是鋁的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是銅的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是惡劣環(huán)境（震動較大，如航天、汽車等領域）下的首選材料。

                  5) AlSiC可以大批量加工，但加工的工藝取決于碳化硅的含量，可以用電火花、金剛石、激光等加工。

                  6) AlSiC可以鍍鎳、金、錫等，表面也可以進行陽極氧化處理。

                  7) 金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC基板上，用粘結劑、樹脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。

                  8) AlSiC本身具有較好的氣密性。但是，與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。

                  9) AlSiC的物理性能及力學性能都是各向同性的。

   由于AlSiC電子封裝材料及構件具有高彈性模量、高熱導率、低密度的優(yōu)點，而且可通過 SiC體積分數和粘接劑添加量等來調整膨脹系數，實現(xiàn)與GaAs芯片和氧化鋁基板的熱匹配；同時可近凈成形形狀復雜的構件，因此生產成本也較低，使其在微波集成電路、功率模塊和微處器蓋板及散熱板等領域得到廣泛應用。力學性能與用作結構材料的鋁基復合材料相比, AlSiC 電子封裝材料的力學性能研究工作很少, 如果用作封裝外殼材料, 其力學性能也是結構設計的重要數據。

      SiC 體積分數相同, 因基體合金和浸滲技術的不同, AlSiC 封裝材料的彎曲強度和彈性模量相差較大。

SiC體積分數為70%時, 與用 Al-Si-Mg系合金和無壓浸滲制備的復合材料相比, 用 AlSi20合金和擠壓鑄造技術制備的復合材料的彎曲強度提高了37%，但彈性模量降低 17%。SiC 體積分數為60%和采用擠壓鑄造制備復合材料時, 與基體為 AlSi12合金的相比, 基體合金為 Al-Cu4MgAg 的 AlSiC 封裝材料的彎曲強度和彈性模量分別提高73. 2% 和18%。

      表1中所使用的基體合金，除 99. 7% Al 合金外, 其余均是可熱處理強化的合金, 改變熱處理工藝可獲取不同性能的封裝構件, 如 60vol% SiCp/ AlCu4M gAg 封裝材料, 鑄造態(tài)和T6態(tài)的彎曲強度分別為 673. 2M Pa和 703. 5M Pa，而布氏硬度則分別為273和360。氣密性眾所周知, 氣密性是封裝材料及構件的重要指標之一, 氣密性不好會使外界水汽、有害離子或氣體進入封裝構件中, 使封裝構件產生表面漏電、結構發(fā)生變化、參數變化等失效模式。影響AlSiC 電子封裝材料氣密性的主要因素有: 制備工藝、材料表面粗糙度等。如采用擠壓鑄造、真空壓力浸滲和無壓浸滲制備AlSiC封裝材料, 材料孔隙率分別為 0. 7% ~ 3%、 0. 5% ~2%和 2. 9% ~ 5. 9%。為提高材料的氣密性, 必須減小材料中的孔隙率, 由于 AlSiC 中含有大量堅硬的 SiC 粉末, 因此常采用熱等靜壓工藝進行致密化處理。國外廠商生產的 AlSiC封裝材料的氣密性指標都小于 10- 10 Pa?m3 / s。

      分別采用真空壓力浸滲和無壓浸滲制備的 AlSiC 封裝材料的氣密性均能達到小于 5x 10- 9 Pa?m3 / s, 滿足了國軍標對封裝材料氣密性的要求。

AlSiC 復合材料的顯微組織如下圖所示。由圖可以看到AlSiC復合材料的組織均勻致密，無雜質、氣孔等缺陷，細小的SiC 顆粒充分填充到粗大顆粒的間隙中，分布均勻，無顆粒團聚現(xiàn)象，致密的組織不但可以提高復合材料的導熱率，還能提高材料的力學性能。熱膨脹系數熱膨脹系數的測試結果如圖2所示。

60?SiC復合材料25℃～100℃之間的平均線膨脹系數介于(6.7～8.4 ) x 10-6K-1之間，低于常用封裝材料 Mo/10vol%Cu( 8.7x 10-6K-1)的熱膨脹系數，能夠滿足電子封裝應用的性能要求。

      AlSiC 復合材料的熱膨脹系數隨著溫度升高而增加，在相同溫度下隨著SiC 顆粒體積分數的增加而降低。對復合材料而言，其熱膨脹系數主要取決于基體的熱膨脹系數和增強體通過基體一增強體界面對基體的制約程度。一方面，由于鋁的熱膨脹系數隨溫度的提高而增大，導致復合材料的熱膨脹系數也隨溫度提高而增大。另一方面，隨溫度提高，復合材料中增強體-基體界面?zhèn)鬏d能力下降，增強體對基體膨脹的制約能力降低，也導致復合材料熱膨脹系數隨溫度提高而增大。

   導熱能力表給出了不同體積分數的AlSiC復合材料的熱導率測試結果，從中可以看出，50%AlSiC 復合材料室溫的熱導率在170W ( m?K )-1 左右，與傳統(tǒng)的高導熱封裝材W、Mo、Mo/10vol%Cu 的熱導率相近，是Kovar的10倍，已經達到了電子封裝材料的高導熱要求。溫度對AlSiC復合材料的影響不大，但總體上呈現(xiàn)出隨溫度升高材料熱導率逐漸減小的趨勢。當溫度相同時，AlSiC復合材料的熱導率隨著體積系數的增大而減少。增強相體積分數的增加，在復合材料內部引入了大量的界面，這些界面的存在阻礙了熱傳導的進行，使材料熱導率降低。

      力學性能圖3是不同體積分數下AlSiC復合材料的彎曲度。該材料的彎曲強度隨著SiC體積分數的增加呈現(xiàn)減少趨勢。增強相體積分數增加，復合材料的脆性增大，基體缺乏足夠的塑性來傳播很高的局部應力，致使復合材料達到正常強度前斷裂。而且復合材料的強度還與增強相的大小、形狀以及材料的制備工藝有關。在顆粒含量、尺寸及內部缺陷作用下，使得高體積分數AlSiC復合材料的彎曲強度并不隨SiC體積分數增大而增大。圖4為AlSiC復合材料彎曲試樣斷口的掃描電子顯微鏡照片。從圖4中可以看到。對于體積分數較高的復合材料整體上呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，但在復合材料斷口中存在少量的撕裂棱和韌窩，具有一定的塑性變形的特征。體積相分數越高，材料脆性斷裂的特征就越明顯。