SiC/Al封裝材料制備工藝研究現(xiàn)狀

包建勛

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

SiC/Al封裝材料制備工藝研究現(xiàn)狀

包建勛

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

立足于滿足封裝材料服役性能需求，比較了攪拌鑄造，粉末冶金，多孔預(yù)置體浸滲，噴射共沉積等SiC/ Al復(fù)合材料的制備工藝，以及由這些工藝制備的復(fù)合材料的特性，從而探討各種工藝在制備電子封裝基板材料的適用性。

SiC/Al復(fù)合材料；電子封裝；基板材料；制備工藝

1 介紹

高體分SiC/Al復(fù)合材料優(yōu)異的機(jī)械和熱物理性能，使其在電子封裝領(lǐng)域具有巨大的潛力[1]。近20年，研究人員對(duì)其制備技術(shù)進(jìn)行了積極的探索，開發(fā)了若干種高體分SiC/Al復(fù)合材料制備方法。目前比較成熟的工藝有攪拌鑄造，粉末冶金，液相浸滲，噴射沉積等。采用這些工藝方法生產(chǎn)的零部件已經(jīng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造、航空航天器和電子封裝領(lǐng)域獲得應(yīng)用。本文將在工藝適用性和成本、各種工藝所得材料性能以及相應(yīng)工藝的潛力等，進(jìn)行比較分析。

2 電子基板SiC/Al復(fù)合材料制備工藝

根據(jù)制備過程中Al合金基體的物相狀態(tài)，制備工藝可分為兩大類，即固相制備法和液相制備法。固相法包括粉末冶金，液相法則有攪拌鑄造，噴射共沉積，液相浸滲。其中浸滲法又根據(jù)是否需要外壓，分為壓力浸滲和無壓浸滲。

2.1 固相制備法

粉末冶金工藝[2]的原理是采用機(jī)械合金化將SiC顆粒和Al顆?；旌暇鶆颍尚?，并在保護(hù)氣氛下在Al合金熔點(diǎn)以下50～100℃燒結(jié)。常壓燒結(jié)所得復(fù)合材料殘余氣孔率偏高，采用熱壓燒結(jié)或熱等靜壓處理，或?qū)⒊簾Y(jié)件經(jīng)過熱擠壓處理，能極大提高材料致密度，從而提高基板材料導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能。粉末冶金法在較低溫度下進(jìn)行，避免了熔融態(tài)Al過度侵蝕SiC，因此能很好的保留Al合金和SiC陶瓷自身的優(yōu)異特性。另外粉末冶金工藝非常成熟，生產(chǎn)流水線的建設(shè)周期短。正如上述，粉末冶金工藝的不足之處比較明顯，所制備的復(fù)合材料有較多的氣孔，嚴(yán)重影響材料的熱機(jī)械性能，需要后續(xù)的熱壓力處理，因此難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的近尺寸成型，考慮到復(fù)合材料中含有較大含量的硬質(zhì)材料SiC，后續(xù)加工的難度和加工量很大。此外，粉末冶金工藝對(duì)SiC和Al顆?；旌系木鶆蛐砸蠛芨?，特別是要避免SiC的偏聚。在制備復(fù)合材料的燒結(jié)溫度下，SiC偏聚區(qū)域無法燒結(jié)致密，也是導(dǎo)致氣孔率上升的原因之一。

2.2 液相制備方法

攪拌鑄造法適用于體積含量低的SiC/Al復(fù)合材料制備[3]，工藝成熟簡單，對(duì)設(shè)備的投資和生產(chǎn)成本低。然而該種工藝制備的SiC含量普遍較低，因?yàn)樵贏l合金中加入過多的SiC顆粒，例如超過25%體積分?jǐn)?shù)，會(huì)導(dǎo)致固液混合體黏度增大，難以通過機(jī)械攪拌分散和混合均勻，更難以通過機(jī)械或氣壓使混合漿料成型。復(fù)合材料中SiC體積分?jǐn)?shù)低，無法約束基體合金的熱膨脹，不能解決因?yàn)榘雽?dǎo)體材料和基板之間的較大的膨脹差異，因而不適用于制備基板材料。

噴射共沉積法[4]通過高速氣流將SiC和霧化Al合金液從兩個(gè)噴嘴中噴出并沉積于耐熱模具上，通過熱擠壓致密化得到最終復(fù)合材料。這個(gè)方法可以獲得任意比例的SiC/Al復(fù)合材料，兼具粉末冶金法燒結(jié)溫度低，復(fù)合材料界面潔凈等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合激光或等離子局部燒結(jié)技術(shù)，以及被譽(yù)為新一輪工業(yè)革命的3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)異形件的快速增材制造，對(duì)原材料的消耗極大的降低，是環(huán)境友好型的制備方法。目前噴射共沉積工藝面臨制備周期較長。和粉末冶金法的情況類似，噴射共沉積法制備的高體分SiC/Al殘余氣孔率偏高，需要后續(xù)熱軋，這是該種技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)增材制造需要解決的重要問題。

浸滲法[5]又包括壓力浸滲法和無壓浸滲法。壓力浸滲包括擠壓鑄造，離心鑄造，真空輔助浸滲和氣壓浸滲等。材料復(fù)合主要驅(qū)動(dòng)力是外界對(duì)熔融Al合金液施加各種形式的壓力，包括氣壓差，機(jī)械壓力，離心力等。無壓浸滲的驅(qū)動(dòng)力則主要是毛細(xì)管壓力差。浸滲法可制備SiC體積含量超過70%的復(fù)合材料，在降低材料線膨脹系數(shù)上具有優(yōu)勢(shì)。壓力浸滲可以在Al合金液相線以上較低溫度進(jìn)行，工藝周期短，但是需要專門的壓力浸滲設(shè)備，并且要求SiC預(yù)制件具有足夠的抗壓強(qiáng)度，保證在加壓過程中不至于破壞失效。無壓浸滲需要較高溫度和特定氣氛，但是對(duì)于制備異形件近凈尺寸有巨大的優(yōu)勢(shì)，制備設(shè)備簡單，容易實(shí)現(xiàn)大尺寸化和批量生產(chǎn)。

當(dāng)采用浸滲法制備高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料時(shí)，要注意控制界面反應(yīng)，因?yàn)橄鄬?duì)于固態(tài)的Al顆粒，熔融Al合金易侵蝕SiC，產(chǎn)物Al4C3不但降低材料的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，而且其具有強(qiáng)烈的吸濕水解傾向，嚴(yán)重?fù)p害復(fù)合材料的可靠性。

3 結(jié)論

各種工藝方法制備SiC/Al復(fù)合材料均有不同的優(yōu)勢(shì)，除攪拌鑄造外，均能制備達(dá)到電子封裝材料要求的復(fù)合材料。粉末冶金工藝成熟，而液相法則能進(jìn)一步提高材料的熱機(jī)械性能。結(jié)合3D打印技術(shù)，噴射共沉積法尚有潛力待挖掘；綜合比較結(jié)果顯示，浸滲法因其低成本，能制備超高體分SiC/Al而成為較佳的電子封裝基板材料制備工藝。

[1]黃強(qiáng)，顧明元.電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].電子與封裝，2003，3（2）：22-25.

[2]王曉陽，朱麗娟，劉越.粉末冶金法制備AlSiC電子封裝材料及性能[J].電子與封裝，2007，7（5）：9-11.

[3]Gupta M， Lu L， Ang S. E.. Effect of microstructural features on the aging behavior of Al-Cu/SiC metal matrix composites processed using casting and rheocasting routes[J].Journal of Materials Science.1997，32:1261-1267.

[4] Jacobson OM.， Andrew Ogilvy.Property measurements on osprey spray-deposited Al-Si alloys[J].Matt，2002(5):36-37.

[5]向華，曲選輝，肖平安，等.SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2003，2（17）：54-57.

TF1

A

1674-6708（2015）145-0035-01

包建勛，研究生，助理研究員，研究方向：金屬基復(fù)合材料