電子封裝用低膨脹高導(dǎo)熱SiCp/Al復(fù)合材料研究進展

孫曉曄，汪 濤

（南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院，南京 211100）

1 前言

隨著集成電路集成度不斷提高，單位面積發(fā)熱量增多。由于目前的封裝材料不能有效散熱，芯片30%的性能被限制發(fā)揮[1]。當前先進封裝技術(shù)對理想電子封裝材料的要求是[2～3]：（1）有較高的熱導(dǎo)率，能夠?qū)雽?dǎo)體芯片在工作時產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，以免芯片溫度過高而失效；（2）有較低的與Si或GaAS等芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，以免芯片因熱應(yīng)力損壞；（3）有足夠的強度和剛度，對芯片能起到支承和保護作用；（4）成本要盡可能低，且在某些特殊場合還要求密度盡可能小。傳統(tǒng)的電子封裝材料，如塑封料、陶瓷封裝材料、金屬封裝材料已不能滿足以上的高性能要求，復(fù)合型封裝材料成為一些發(fā)達國家的研究對象，其中最受青睞的是SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

2 SiCp/Al復(fù)合材料的性能與應(yīng)用

SiC顆粒性能優(yōu)異，成本低廉，而且具有低密度（ρ=3.2g·cm-3）、低熱膨脹系數(shù)（α=4.7×10-6K-1）、高楊氏模量（E=450GPa）等優(yōu)點。Al作為基體材料，具有高導(dǎo)熱（170W·m-1K-1～220W·m-1K-1）、低密度（2.7g·cm-3）、價格低廉和易于加工等優(yōu)點。將SiC和Al復(fù)合后，結(jié)合兩者的優(yōu)點，獲得高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)、高強度、低密度、導(dǎo)電的理想封裝材料。SiCp/Al的熱膨脹系數(shù)可通過SiC的含量來調(diào)節(jié)，而要滿足封裝要求，SiC的體積分數(shù)通常要在55%以上[4]。

表1為不同組分的SiCp/Al復(fù)合材料的性能[5]。

表1 SiCp/Al的組分及性能

從20世紀80年代開始，國外對SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料的研究已經(jīng)從試驗階段步入實用階段，首先在航空航天、光學、儀表等領(lǐng)域取得實際應(yīng)用。在軍用電子產(chǎn)品方面，包括軍用混合電路、微波管的載體、多芯片組的熱沉和超大功率模塊的封裝，均取得較好的效果[6]。美國在多個軍事工程，特別是航空航天中已規(guī)?；褂眠@種材料，例如在F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機的遙控自動駕駛儀、發(fā)電單元、抬頭顯示器、電子計數(shù)測量陣列等關(guān)鍵電子系統(tǒng)上，替代包銅的鉬及包銅的殷鋼作為印刷電路板板芯，取得了減重70%的顯著效果。由于此種材料的導(dǎo)熱率高達180W·m-1K-1，從而降低了電子模塊的工作溫度，減少了冷卻的需要，還被用于F-22戰(zhàn)斗機的電子元器件基座及外殼等熱控結(jié)構(gòu)[7]。國外也有采用這種電子封裝材料取代W/Cu合金作為高性能飛機上相控陣雷達的微波功率管封裝底座，減重80%以上，同時成本有所降低，電路體積減小，可靠性提高[8]。

在民用方面，美國CPS公司采用壓力熔滲法生產(chǎn)的SiCp/Al產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于FC微處理器、微波電路及光電子封裝外殼、大功率及功率轉(zhuǎn)換器件的IGBT基板以及高亮度LED基板[9]。國內(nèi)某微電子公司已于2007年2月投產(chǎn)亞洲第一條SiC/Al生產(chǎn)線，該公司采用無壓滲透技術(shù)，能提供3mm×3mm×0.5mm～156mm×156mm×10mm的SiCp/Al系列平板[5]。圖1是目前應(yīng)用的部分SiCp/A1電子封裝產(chǎn)品。

3 低膨脹高導(dǎo)熱SiCp/Al復(fù)合材料制備方法

3.1 SiCp/Al復(fù)合材料常用制備方法

目前國內(nèi)外制備SiCp/Al復(fù)合材料的工藝有很多種，如粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法、無壓滲透法、壓力鑄造法等。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是最悠久的制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法，其工藝過程為：將SiC顆粒、鋁粉和粘合劑混合壓制成形后脫脂，加熱至固相線溫度以上進行熱壓燒結(jié)或擠壓燒結(jié)。近年來，粉末冶金發(fā)展了冷等靜壓、真空除氣、真空燒結(jié)等新工藝[10]。其最大優(yōu)點在于成分配比的自由度寬，可很好地控制復(fù)合材料的成分，從理論上講增強體的加入量可任意調(diào)節(jié)；由于成型溫度低于基體合金的熔點，減輕了基體與增強體間的界面反應(yīng)，減少了界面硬質(zhì)合金物對材料性能的不利影響。但用粉末冶金法制備SiCp/A1復(fù)合材料的不多，其原因是燒結(jié)過程不易控制，造成材料中孔隙多，內(nèi)部組織不均勻，必須進行二次塑性加工，工業(yè)化成本較高；同時粉末冶金法所制零件的結(jié)構(gòu)和形狀都有所限制。

王曉陽等[11]將冷壓成形的壓坯于650℃～690℃在真空爐中保溫熱壓制得SiC體積分數(shù)為50%、55%、60%的3種復(fù)合材料，顆粒分布均勻，組織致密，其中60vol%的SiCp/Al在25℃～100℃的熱膨脹系數(shù)介于（6.7～8.4）×10-6K-1之間，導(dǎo)熱系數(shù)為145W（m·K）-1左右，能較好地滿足封裝需要。美國Polese公司采用全自動精確壓制成近成形坯體，后燒結(jié)獲得近凈形的50%～70%SiCp/Al復(fù)合材料[5]。

圖1 應(yīng)用SiCp/Al的電子封裝產(chǎn)品

3.1.2 噴射沉積法

噴射沉積法是1969年由A.R.E.singer發(fā)明的一種制備金屬基復(fù)合材料的技術(shù)[12]。該工藝是在坩堝底部開一個小孔，當熔融鋁合金液流出后，將顆粒增強相加入液流中，然后用高速惰性氣體將基體與顆?；旌衔锓稚⒊杉氁旱问蛊潇F化，顆粒及霧化流噴射到基底上共同沉積成金屬復(fù)合材料[13]。

圖2 噴射沉積法示意圖

由于噴射沉積的快速凝固特性，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比有較高的冷卻速度（10K·s-1～102K·s-1），能夠獲得晶粒細小、無宏觀偏析的微晶組織，從而提高了材料的綜合性能。而且增強相與基體熔液接觸時間短，界面的化學反應(yīng)易于控制。由于噴粉和材料復(fù)合一步完成，減少了各種制造和加工中間環(huán)節(jié)，效率高，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但其缺點是成本較高、沉積速度較慢。此外，這種方法制備生產(chǎn)的SiCp/Al復(fù)合材料中SiC最大體積百分含量少于55%，不能滿足封裝要求。

3.1.3 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法采用機械、電磁、超聲波等攪拌工藝使增強體均勻分散到金屬液中得到懸浮漿料，然后直接澆入金屬模型中，使其快速凝固，可制備體積分數(shù)為10%～40%的復(fù)合材料[16]。袁廣江等[17]先將A356鑄錠放入坩堝內(nèi)熔化，N2除氣5min，之后將SiC粉注入坩堝內(nèi)鋁液上部，蓋上爐蓋，放入攪拌器，攪拌2h后澆鑄。對復(fù)合材料進行T6熱處理，在540℃固溶處理保溫12h后，在70℃～80℃水中淬火，170℃時效保溫6h后空冷。成功制備了20vol%SiC顆粒增強A356基復(fù)合材料，抗拉強度319MPa，彈性模量98.9GPa，延伸率1.4%。Naher[18]等人的研究表明影響顆粒在Al基體中分布均勻性的因素有攪拌速度、顆粒尺寸、攪拌葉輪旋向等。

攪拌鑄造的過程中，由于SiC與鋁液潤濕性差，實現(xiàn)增強體顆粒均勻分布較為困難，因此必須對SiC顆粒進行一定的表面處理，還可以抑制兩者間的界面反應(yīng)。此方法的突出優(yōu)點是設(shè)備簡單、工藝易控制、成本低，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)。由于在SiC含量方面的限制，難以獲得與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，國內(nèi)少有研究其在制備電子封裝材料方面的應(yīng)用。

圖3 攪拌鑄造法示意圖

3.1.4 熔滲法

（1）無壓滲透

無壓滲透法是生產(chǎn)具有高增強體復(fù)合材料的最有效方法之一。它是美國Lanxide公司研究和發(fā)明的一種新型復(fù)合材料成型工藝（PRIMEXTM）[19]，實現(xiàn)了高體積分數(shù)金屬基復(fù)合材料的凈成型。由于共價鍵結(jié)合的SiC與金屬鍵結(jié)合的Al化學相容性差，在900℃以下根本不潤濕，需要改善界面的潤濕性，主要方法有：在基體Al中添加能降低金屬熔體表面張力和破壞表面Al2O3層的元素，如Mg、Si；顆粒表面改性處理，在SiC表面涂覆一層與Al反應(yīng)或潤濕性較好的金屬涂層，最常用的涂層材料有Ni、Cu；優(yōu)化工藝參數(shù)，如熔滲溫度、保溫時間、熔滲氣氛等。該工藝使用的基體合金為Al-Mg合金，當使用SiC作為增強體時往往還加入一定量的Si以減少SiC/Al之間的界面反應(yīng)。在一定溫度下（一般為大于800℃），基體合金中Mg緩慢揮發(fā)，擴散至陶瓷預(yù)成型坯中，與作為保護氣氛的氮氣發(fā)生反應(yīng)，而在粉體表面生成氮化鎂（Mg3N2），液態(tài)鋁與表面的Mg3N2接觸，通過一系列的化學反應(yīng)促進鋁合金液的浸滲，并最終實現(xiàn)無壓浸滲。其過程為將基體合金鑄錠放在陶瓷顆粒制成的預(yù)制體上，在氮氣氣氛下，加熱至鋁合金熔點以上，保溫至完全滲透。

由于該工藝過程簡單，不需要昂貴的真空或壓力設(shè)備，故而成本低廉，陶瓷增強相體積分數(shù)高以及近凈成型加工等特點，近幾年受到國內(nèi)外廣泛重視。該工藝需要氣體保護，這也是其局限所在。另外，增強體某些部位不能完全滲透，產(chǎn)品中存在少量氣孔，生產(chǎn)過程時間較長。目前，德國DMC2和美國TTC公司已使用無壓滲透法制備出SiCp/Al復(fù)合材料電子封裝產(chǎn)品[5]。

圖4 無壓滲透法示意圖

（2）壓力鑄造

壓力鑄造法是適合大規(guī)模生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的主要工藝之一，近年來得到了很快的發(fā)展，在顆粒、晶須或短纖維增強的實用鋁基復(fù)合材料的制造中應(yīng)用最多，且最為成功。

圖5 壓力鑄造法示意圖

其工藝過程是把SiC顆?；蚓ы氈瞥伤栊螤睿A(yù)制塊），然后讓鋁或鋁合金液在壓力作用下滲入到含有孔隙的預(yù)制塊內(nèi)，制成復(fù)合材料[20]。于曉東等[21]將粒徑200μm的粗SiC顆粒與10μm的細顆粒按不同配比混合，加入水、粘結(jié)劑充分攪拌后烘干，干壓成型。隨后在1 100℃，4h氧化處理，獲得具有一定強度的預(yù)制塊。壓鑄模和預(yù)制塊預(yù)熱溫度為590℃，鋁合金澆注溫度為850℃，立即加壓使鋁液滲入預(yù)制塊，在65MPa壓力下保壓5min，凝固完成后泄壓取出鑄件。制得的復(fù)合材料中陶瓷的體積分數(shù)最大值達到75%。Zhang等[22]向預(yù)熱的750℃模具中加入500℃的SiC預(yù)制體后，在100MPa的壓力下保壓5min使鋁液滲入，制得SiC體積分數(shù)為50%～70%，抗彎強度為370MPa，熱膨脹系數(shù)為（8.3～10.8）×10-6℃-1的鋁基復(fù)合材料。

壓力鑄造法制備復(fù)合材料工藝難度相對較大，主要是制備預(yù)成形坯塊比較困難，強度不高，預(yù)制塊在壓滲過程中易崩潰，而且金屬熔體不易充分地滲入到預(yù)成形坯內(nèi)。最近的研究表明，通過增大壓力的方法可以實現(xiàn)熔鋁在預(yù)成形坯中的滲透[23]。

3.2 低膨脹高導(dǎo)熱SiCp/Al復(fù)合材料的制備方法分析

由于制備原理、工藝過程及所用設(shè)備不同，每種制備方法各有優(yōu)缺點，表2為各種制備工藝的比較。

表2 SiCp/Al復(fù)合材料制備工藝比較

可以看出，攪拌鑄造法、噴射沉積法無法制備高體積分數(shù)的SiCp/Al復(fù)合材料，而粉末冶金法、壓力鑄造法均存在成本過高或工藝復(fù)雜的缺點。SiCp/Al復(fù)合材料機械加工較困難，而電子封裝構(gòu)件形狀一般比較復(fù)雜，要求其具有較好的凈成型工藝。無壓滲透法具有成本低廉、工藝簡單、凈成型等優(yōu)勢，是具有很好發(fā)展前景的工藝方法。目前需要進一步研究其滲透均勻性，Al液在SiC顆粒間隙中滲透阻力較大的地方不易滲透，產(chǎn)品易存在缺陷；Al-SiC的界面結(jié)合狀況，包括研究基體成分對界面結(jié)合狀況乃至對材料熱性能的影響；對SiC進行表面處理，探索潤濕機理，從而改善潤濕性，如何在空氣氣氛中有效地實現(xiàn)無壓滲透將是研究重點之一。

4 結(jié)束語

綜上所述，SiCp/Al基復(fù)合材料作為一種新型電子封裝材料有著廣闊的應(yīng)用前景，國外在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面已取得很大進展，少數(shù)國家已進入生產(chǎn)應(yīng)用階段，取得了顯著經(jīng)濟效益。與國外相比，國內(nèi)在這方面的研究與應(yīng)用水平還有一定的差距。從性能上看，相同體積分數(shù)的SiCp/Al封裝材料，熱膨脹系數(shù)與密度已達到國外產(chǎn)品指標，但在產(chǎn)品尺寸精度的控制上還存在較大差距。總之，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展及電子技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論及制備技術(shù)將會有重大突破，但任務(wù)也相當艱巨。

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