硅含量對硅鋁合金電子封裝材料性能的影響

李海軍，宗福春，胡增武，李云飛，彭文佳，齊 敬

（河北新立中有色金屬集團(tuán)有限公司，河北 保定 071100）

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的需求，電子元器件、芯片等不斷朝小型化、輕量化、高密度、大功率組裝化方向發(fā)展，這就對電子封裝材料的技術(shù)特性提出了更高的要求，尤其對散熱性、熱膨脹系數(shù)（CTE）的匹配性、低密度等方面的要求進(jìn)一步提高，以保障芯片在正常溫度下工作，延長使用壽命。研究表明，半導(dǎo)體器件的溫度每升高18℃，失效可能性增加2～3倍[1-2]，芯片30%的性能會被限制發(fā)揮[3]。器件設(shè)計和制造過程中需要確保封裝材料和半導(dǎo)體芯片間的CTE匹配良好，避免變形不一致，產(chǎn)生熱疲勞失效[4]，并配合輕質(zhì)材料減重的需求以滿足航空航天、消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)Ψ庋b的要求[5]。

作為電子封裝材料，銅及銅合金雖具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，但其密度較大且膨脹匹配性差?？煞ズ辖鸬呐蛎浵禂?shù)雖然較低，但密度較大，熱導(dǎo)率偏低。陶瓷材料的熱膨脹匹配性也不盡如人意[4,6-9]。綜上所述，研發(fā)一種具有輕質(zhì)、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱、高剛度等特點(diǎn)的電子封裝材料迫在眉睫。通過對成分和工藝進(jìn)行調(diào)整，硅鋁合金可實(shí)現(xiàn)不同工況下不同膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的匹配，同時其高剛度對芯片起到了很好的保護(hù)作用，因此硅鋁合金成為目前研究的熱點(diǎn)。本文討論了材料中Si含量的不同對硅鋁合金的金相組織、物理性能、力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)方法及條件

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用原材料分別為重熔用電解鋁錠（99.7%）、工業(yè)用3303Si（99.5%），采用250 kg真空氣霧化系統(tǒng)制備硅鋁合金系列粉末，粉末粒度分布D50為50～100μm。真空氣霧化的主要工藝參數(shù)為：熔體過熱度大于100℃，霧化壓力為3 MPa，氣流速度大于500 m/s。利用HIP750熱等靜壓機(jī)對粉末進(jìn)行成型處理，加工成硅鋁合金試驗(yàn)材料。熱等靜壓主要工藝參數(shù)為：溫度為550℃，壓力為100 MPa，時間為3 h。切割出測試分析樣品，拉伸樣品的尺寸為?10 mm×150 mm。

2.2 試驗(yàn)條件

采用河北新立中有色金屬集團(tuán)有限公司現(xiàn)有的德國OBLF QSG-750Ⅱ直讀光譜儀和美國安捷倫7800 ICP-MS進(jìn)行成分分析，合金具體的化學(xué)成分如表1所示。采用德國耐馳DIL402膨脹儀和LFA467閃光法導(dǎo)熱系數(shù)測量儀分析CTE和導(dǎo)熱系數(shù)。采用蔡司EVO18掃描電鏡和Axio-Imager金相顯微鏡觀察金相組織。采用梅特勒-托利多ML104T密度天平測試密度。采用WDW3100型微機(jī)電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測強(qiáng)度，試驗(yàn)速率為1.5 mm/min。采用HB-3000布氏硬度計測試硬度。AlSi60、AlSi70、AlSi80硬度試驗(yàn)的測試條件為：壓頭直徑為2.5 mm，壓力為1837.5 N。其余合金硬度試驗(yàn)的測試條件：壓頭直徑為5 mm，壓力為2451.66 N。

表1 合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料金相組織的影響

各種材料的金相組織照片如圖1所示，當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于60%時，合金以Al為基體，未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷。合金中Si和α-Al的顆粒尺寸如表2所示，隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Si顆粒的尺寸增大，由1.8μm增加到4.6μm，分布均勻。AlSi12、AlSi27組織中的Si顆粒為點(diǎn)狀、蠕蟲狀，AlSi35、AlSi42組織中的Si顆粒為球狀。隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，AlSi50、AlSi60組織中的Si顆粒逐漸長大，變?yōu)榍驙罨蚱瑺睢：辖鹬械慕M織形貌及分布優(yōu)于GB/T33880-2017《熱等靜壓鋁硅合金板材》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 合金中Si和α-Al的顆粒尺寸 （單位：μm）

圖1 金相組織照片

當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%時，Si顆粒連通成骨架，合金以Si為基體，未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，α-Al顆粒的尺寸變化不大，α-Al顆粒分布均勻，形狀為條狀或球狀。

對AlSi27、AlSi42、AlSi60、AlSi80合金的金相組織采用二值化分析方法，測試放大500倍的金相組織照片中Si顆粒的比例，即面積比。具體流程為利用金相分析專用軟件中的物相提取功能，對金相組織照片提取Si顆粒部分并標(biāo)記為黃色，圖2為合金中的Si顆粒面積比計算圖。然后使用金相軟件中的二相面積計算功能，計算Si顆粒（標(biāo)黃部位）的比例，得出Si顆粒的面積比分別為27.04%、43.78%、59.59%、80.31%，合金中的Si顆粒面積比如表3所示。從圖2中可以看出，隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Si顆粒的面積比增大，Si顆粒與α-Al顆粒的晶界隨之增多。

圖2 合金中的Si顆粒面積比計算圖

表3 合金中的Si顆粒面積比

采用FIB-SEM雙束系統(tǒng)進(jìn)一步驗(yàn)證樣品是否存在納米級孔隙，分別在AlSi50熱等靜壓錠坯的邊緣和中心位置取樣分析。AlSi50合金的FIB-SEM金相組織照片如圖3所示，樣品的邊緣和中心位置均未發(fā)現(xiàn)孔隙。樣品內(nèi)部組織致密，能夠很好地保證零件的可靠性、穩(wěn)定性，確保芯片的使用壽命。

圖3 AlSi50合金的FIB-SEM金相組織照片

采用SEM進(jìn)一步驗(yàn)證樣品組織是否均勻，對AlSi50熱等靜壓錠坯的中心和邊緣位置分別取樣，并在不同放大倍數(shù)下進(jìn)行分析。AlSi50合金的SEM金相組織照片如圖4所示，AlSi50微區(qū)化學(xué)成分如表4所示，可以看出，不同區(qū)域面積、不同部位的Si、Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.06%～49.30%，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.63%～50.84%，足以說明材料的組織分布均勻，無微觀偏析，可以保證電子封裝外殼或蓋板等零部件整體性能穩(wěn)定，尺寸均勻。

表4 AlSi50微區(qū)化學(xué)成分

圖4 AlSi50合金的SEM金相組織照片

3.2 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料物理性能的影響

3.2.1 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料密度的影響

Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對合金物理性能的影響如圖5所示。依據(jù)阿基米德原理，采用梅特勒-托利多ML104T密度天平測試合金密度，當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%增加至80%時，合金密度由2.648 g/cm3下降至2.395 g/cm3，致密度均在99.2%以上，最高達(dá)到99.84%。由于Si的密度（2.33 g/cm3）低于鋁的密度（2.70 g/cm3），且Al、Si不產(chǎn)生新相，按照混合法則，加入的Si越多，其密度越低。

圖5 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對合金物理性能的影響

3.2.2 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料熱導(dǎo)率的影響

依據(jù)閃光法原理，采用德國耐馳LFA467閃光法導(dǎo)熱系數(shù)測量儀測試合金熱導(dǎo)率。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%增加至80%時，合金熱導(dǎo)率由197.2 W/(m·K)下降至85.6 W/(m·K)。Si的熱導(dǎo)率較α-Al低很多，因此隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料熱導(dǎo)率逐漸下降。由金相組織可以看出，隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Si的顆粒所占面積增多、粒度增大、數(shù)量增多，導(dǎo)致晶界大幅度增多，使自由電子傳輸熱能的能力受到晶界散射的影響而減弱，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。同時Si的顆粒數(shù)量越多，對聲子和電子提供的散射面積越大，材料導(dǎo)熱性能的降低也越明顯。

3.2.3 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料CTE的影響

采用德國耐馳DIL402膨脹儀測試材料的CTE。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%增加至80%時，30～100℃的平均CTE由20.93×10-6/K下降至6.48×10-6/K，符合混合法則。由于Si的CTE（2.5×10-6/K）較α-Al的CTE（22.6×10-6/K）低90%左右，因此隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，材料的CTE逐漸下降。另外Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使延性α-Al減少且被富集的Si阻斷，同時晶界數(shù)量增多，膨脹受到約束，導(dǎo)致CTE下降。當(dāng)延性α-Al屬于不連續(xù)相時，其形變會受到周圍CTE很小的Si顆粒的約束，使得CTE降低。

3.3 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料力學(xué)性能的影響

3.3.1 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料斷后伸長率和強(qiáng)度的影響

Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料斷后伸長率和強(qiáng)度的影響如圖6所示。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致斷后伸長率降低。AlSi12的斷后伸長率為22.46%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到35%時，合金的斷后伸長率急劇下降至不大于1%。AlSi12為共晶鋁硅合金，Si幾乎全部固溶到基體中，而過共晶鋁硅合金會殘留初晶Si在基體中，第二相初晶Si相為脆性相，隨著第二相初晶Si相的增多，應(yīng)力集中增大，導(dǎo)致斷后伸長率明顯降低。

圖6 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料斷后伸長率和強(qiáng)度的影響

當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于60%時，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均提高，AlSi60合金的抗拉強(qiáng)度最高（達(dá)到223 MPa），其規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度達(dá)到208 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GB/T33880-2017《熱等靜壓鋁硅合金板材》標(biāo)準(zhǔn)的要求。這可能是由于Al相是連續(xù)相，而Si作為增強(qiáng)相存在。隨著第二相Si顆粒的增加，且Si相呈獨(dú)立分布，尺寸較為細(xì)小，晶界增多，其位錯難以移動，起到強(qiáng)化作用，表現(xiàn)出強(qiáng)度增加。

當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%時，隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均降低。Si相逐步作為連續(xù)骨架相，而Si相本身較脆、韌性較差，造成抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低。

3.3.2 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料硬度和剛度的影響

Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料硬度和剛度的影響如圖7所示。隨著Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其布氏硬度值（HBW）由38增加到456，剛度由71 GPa提高到129 GPa。加入Si越多，基體中分散的Si顆粒越多，會造成位錯增加，其晶格畸變程度增大，導(dǎo)致硬度和剛度提高。同時Si的剛度本就大于Al的剛度，因此Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加使得剛度提高，符合混合法則。

圖7 Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料硬度和剛度的影響

4 結(jié)論

對熱等靜壓方法成型的AlSi12、AlSi27、AlSi35、AlSi42、AlSi50、AlSi60、AlSi70、AlSi80系列硅鋁合金電子封裝材料特性的研究結(jié)果表明，以上材料基本滿足熱導(dǎo)率大于100 W/（m·K）、密度小于3 g/cm3、剛度大于100 GPa的指標(biāo)[10-11]。文章分析總結(jié)了Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對硅鋁合金電子封裝材料金相組織、物理性能、力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）河北新立中有色金屬集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的硅鋁合金系列電子封裝材料的組織分布均勻，Si顆粒細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)孔隙、裂紋等缺陷。

（2）Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致硅鋁合金的密度下降。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%增加至80%時，密度由2.648 g/cm3下降至2.395 g/cm3，其致密度均在99.2%以上，最高達(dá)到了99.84%。硅鋁系列電子封裝材料具備低密度的特點(diǎn)，其密度為銅、銅合金及可伐合金密度的1/3，有助于滿足航空、航天領(lǐng)域?qū)ζ骷p量化的需要，降低制造成本。

（3）Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致熱導(dǎo)率和CTE下降。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%增加至80%時，硅鋁合金的熱導(dǎo)率由197.2 W/（m·K）下降至85.6 W/（m·K），在30～100℃，平均CTE由20.93×10-6/K下降至6.48×10-6/K。硅鋁系列電子封裝材料具備較寬泛的熱導(dǎo)率和CTE范圍，能夠滿足不同工況條件下的產(chǎn)品應(yīng)用需求。使用者可以根據(jù)需要使材料達(dá)到良好的物理性能匹配性，能夠更有效地散熱，匹配芯片的熱膨脹特性，延長芯片壽命。

（4）Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致硅鋁合金的斷后伸長率降低。AlSi12的斷后伸長率為22.46%，當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到35%時，合金的斷后伸長率急劇下降至不大于1%。

（5）當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于60%時，Si的增加導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均提高；Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%后，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度下降，AlSi60合金的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到223 MPa，其規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度達(dá)到208 MPa。

（6）隨著Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其合金材料的布氏硬度、剛度提高。HBW最高達(dá)到456，剛度最高達(dá)到129 GPa。可見硅鋁系列電子封裝材料具備較高的強(qiáng)度，可以給芯片提供足夠的支撐和保護(hù)。