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供鋁碳化硅復(fù)合材料

2017-02-22 王帆

詳細(xì)信息

鋁碳化硅（AlSiC）金屬基熱管理復(fù)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?jǐn)?shù)的碳化硅復(fù)合成為低密度、高導(dǎo)熱率和低膨脹系數(shù)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(dǎo)熱率（170～200W/mK）和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)（6.5～9.5×10-6/K），因此一方面AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)率是可伐合金的十倍，芯片產(chǎn)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(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)等性能可通過改變其組成而加以調(diào)整，因此電子產(chǎn)品可按用戶的具體要求而靈活地設(shè)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(dāng)，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(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)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(jìn)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(jié)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(xué)性能都是各向同性的。

   由于AlSiC電子封裝材料及構(gòu)件具有高彈性模量、高熱導(dǎo)率、低密度的優(yōu)點，而且可通過 SiC體積分?jǐn)?shù)和粘接劑添加量等來調(diào)整膨脹系數(shù)，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(fù)雜的構(gòu)件，因此生產(chǎn)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。力學(xué)性能與用作結(jié)構(gòu)材料的鋁基復(fù)合材料相比, AlSiC 電子封裝材料的力學(xué)性能研究工作很少, 如果用作封裝外殼材料, 其力學(xué)性能也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要數(shù)據(jù)。

      SiC 體積分?jǐn)?shù)相同, 因基體合金和浸滲技術(shù)的不同, AlSiC 封裝材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量相差較大。

SiC體積分?jǐn)?shù)為70%時, 與用 Al-Si-Mg系合金和無壓浸滲制備的復(fù)合材料相比, 用 AlSi20合金和擠壓鑄造技術(shù)制備的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高了37%，但彈性模量降低 17%。SiC 體積分?jǐn)?shù)為60%和采用擠壓鑄造制備復(fù)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(qiáng)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(qiáng)化的合金, 改變熱處理工藝可獲取不同性能的封裝構(gòu)件, 如 60vol% SiCp/ AlCu4M gAg 封裝材料, 鑄造態(tài)和T6態(tài)的彎曲強(qiáng)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(gòu)件的重要指標(biāo)之一, 氣密性不好會使外界水汽、有害離子或氣體進(jìn)入封裝構(gòu)件中, 使封裝構(gòu)件產(chǎn)生表面漏電、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、參數(shù)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(jìn)行致密化處理。國外廠商生產(chǎn)的 AlSiC封裝材料的氣密性指標(biāo)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(dá)到小于 5x 10- 9 Pa?m3 / s, 滿足了國軍標(biāo)對封裝材料氣密性的要求。

AlSiC 復(fù)合材料的顯微組織如下圖所示。由圖可以看到AlSiC復(fù)合材料的組織均勻致密，無雜質(zhì)、氣孔等缺陷，細(xì)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(tuán)聚現(xiàn)象，致密的組織不但可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，還能提高材料的力學(xué)性能。熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)的測試結(jié)果如圖2所示。

60?SiC復(fù)合材料25℃～100℃之間的平均線膨脹系數(shù)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(shù)，能夠滿足電子封裝應(yīng)用的性能要求。

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

   導(dǎo)熱能力表給出了不同體積分?jǐn)?shù)的AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測試結(jié)果，從中可以看出，50%AlSiC 復(fù)合材料室溫的熱導(dǎo)率在170W ( m?K )-1 左右，與傳統(tǒng)的高導(dǎo)熱封裝材W、Mo、Mo/10vol%Cu 的熱導(dǎo)率相近，是Kovar的10倍，已經(jīng)達(dá)到了電子封裝材料的高導(dǎo)熱要求。溫度對AlSiC復(fù)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(dǎo)率逐漸減小的趨勢。當(dāng)溫度相同時，AlSiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著體積系數(shù)的增大而減少。增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，在復(fù)合材料內(nèi)部引入了大量的界面，這些界面的存在阻礙了熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，使材料熱導(dǎo)率降低。

      力學(xué)性能圖3是不同體積分?jǐn)?shù)下AlSiC復(fù)合材料的彎曲度。該材料的彎曲強(qiáng)度隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)減少趨勢。增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)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(yīng)力，致使復(fù)合材料達(dá)到正常強(qiáng)度前斷裂。而且復(fù)合材料的強(qiáng)度還與增強(qiáng)相的大小、形狀以及材料的制備工藝有關(guān)。在顆粒含量、尺寸及內(nèi)部缺陷作用下，使得高體積分?jǐn)?shù)AlSiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度并不隨SiC體積分?jǐn)?shù)增大而增大。圖4為AlSiC復(fù)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?jǐn)?shù)較高的復(fù)合材料整體上呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，但在復(fù)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?jǐn)?shù)越高，材料脆性斷裂的特征就越明顯。