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供铝碳化硅复合材料

2017-02-22 王帆

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铝碳化硅（AlSiC）金属基热管理复合材料，是电子元器件专用电子封装材料，主要是指将铝与高体积分数的碳化硅复合成为低密度、高导热率和低膨胀系数的电子封装材料，以解决电子电路的热失效问题。

   特性概况：1) AlSiC具有高导热率（170～200W/mK）和可调的热膨胀系数（6.5～9.5×10-6/K），因此一方面AlSiC的热膨胀系数与半导体芯片和陶瓷基片实现良好的匹配，能够防止疲劳失效的产生,甚至可以将功率芯片直接安装到AlSiC基板上；另一方面AlSiC的热导率是可伐合金的十倍，芯片产生的热量可以及时散发。这样，整个元器件的可靠性和稳定性大大提高。

                  2) AlSiC是复合材料，其热膨胀系数等性能可通过改变其组成而加以调整，因此电子产品可按用户的具体要求而灵活地设计，能够真正地做到量体裁衣，这是传统的金属材料或陶瓷材料无法作到的。

                  3) AlSiC的密度与铝相当，比铜和Kovar轻得多，还不到Cu/W的五分之一，特别适合于便携式器件、航空航天和其他对重量敏感领域的应用。

                  4) AlSiC的比刚度（刚度除以密度）是所有电子材料中最高的：是铝的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是铜的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是恶劣环境（震动较大，如航天、汽车等领域）下的首选材料。

                  5) AlSiC可以大批量加工，但加工的工艺取决于碳化硅的含量，可以用电火花、金刚石、激光等加工。

                  6) AlSiC可以镀镍、金、锡等，表面也可以进行阳极氧化处理。

                  7) 金属化的陶瓷基片可以钎焊到镀好的AlSiC基板上，用粘结剂、树脂可以将印制电路板芯与AlSiC粘合。

                  8) AlSiC本身具有较好的气密性。但是，与金属或陶瓷电子封装后的气密性取决于合适的镀层和焊接。

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

   由于AlSiC电子封装材料及构件具有高弹性模量、高热导率、低密度的优点，而且可通过 SiC体积分数和粘接剂添加量等来调整膨胀系数，实现与GaAs芯片和氧化铝基板的热匹配；同时可近净成形形状复杂的构件，因此生产成本也较低，使其在微波集成电路、功率模块和微处器盖板及散热板等领域得到广泛应用。力学性能与用作结构材料的铝基复合材料相比, AlSiC 电子封装材料的力学性能研究工作很少, 如果用作封装外壳材料, 其力学性能也是结构设计的重要数据。

      SiC 体积分数相同, 因基体合金和浸渗技术的不同, AlSiC 封装材料的弯曲强度和弹性模量相差较大。

SiC体积分数为70%时, 与用 Al-Si-Mg系合金和无压浸渗制备的复合材料相比, 用 AlSi20合金和挤压铸造技术制备的复合材料的弯曲强度提高了37%，但弹性模量降低 17%。SiC 体积分数为60%和采用挤压铸造制备复合材料时, 与基体为 AlSi12合金的相比, 基体合金为 Al-Cu4MgAg 的 AlSiC 封装材料的弯曲强度和弹性模量分别提高73. 2% 和18%。

      表1中所使用的基体合金，除 99. 7% Al 合金外, 其余均是可热处理强化的合金, 改变热处理工艺可获取不同性能的封装构件, 如 60vol% SiCp/ AlCu4M gAg 封装材料, 铸造态和T6态的弯曲强度分别为 673. 2M Pa和 703. 5M Pa，而布氏硬度则分别为273和360。气密性众所周知, 气密性是封装材料及构件的重要指标之一, 气密性不好会使外界水汽、有害离子或气体进入封装构件中, 使封装构件产生表面漏电、结构发生变化、参数变化等失效模式。影响AlSiC 电子封装材料气密性的主要因素有: 制备工艺、材料表面粗糙度等。如采用挤压铸造、真空压力浸渗和无压浸渗制备AlSiC封装材料, 材料孔隙率分别为 0. 7% ~ 3%、 0. 5% ~2%和 2. 9% ~ 5. 9%。为提高材料的气密性, 必须减小材料中的孔隙率, 由于 AlSiC 中含有大量坚硬的 SiC 粉末, 因此常采用热等静压工艺进行致密化处理。国外厂商生产的 AlSiC封装材料的气密性指标都小于 10- 10 Pa•m3 / s。

      分别采用真空压力浸渗和无压浸渗制备的 AlSiC 封装材料的气密性均能达到小于 5x 10- 9 Pa•m3 / s, 满足了国军标对封装材料气密性的要求。

AlSiC 复合材料的显微组织如下图所示。由图可以看到AlSiC复合材料的组织均匀致密，无杂质、气孔等缺陷，细小的SiC 颗粒充分填充到粗大颗粒的间隙中，分布均匀，无颗粒团聚现象，致密的组织不但可以提高复合材料的导热率，还能提高材料的力学性能。热膨胀系数热膨胀系数的测试结果如图2所示。

60�SiC复合材料25℃～100℃之间的平均线膨胀系数介于(6.7～8.4 ) x 10-6K-1之间，低于常用封装材料 Mo/10vol%Cu( 8.7x 10-6K-1)的热膨胀系数，能够满足电子封装应用的性能要求。

      AlSiC 复合材料的热膨胀系数随着温度升高而增加，在相同温度下随着SiC 颗粒体积分数的增加而降低。对复合材料而言，其热膨胀系数主要取决于基体的热膨胀系数和增强体通过基体一增强体界面对基体的制约程度。一方面，由于铝的热膨胀系数随温度的提高而增大，导致复合材料的热膨胀系数也随温度提高而增大。另一方面，随温度提高，复合材料中增强体-基体界面传载能力下降，增强体对基体膨胀的制约能力降低，也导致复合材料热膨胀系数随温度提高而增大。

   导热能力表给出了不同体积分数的AlSiC复合材料的热导率测试结果，从中可以看出，50%AlSiC 复合材料室温的热导率在170W ( m•K )-1 左右，与传统的高导热封装材W、Mo、Mo/10vol%Cu 的热导率相近，是Kovar的10倍，已经达到了电子封装材料的高导热要求。温度对AlSiC复合材料的影响不大，但总体上呈现出随温度升高材料热导率逐渐减小的趋势。当温度相同时，AlSiC复合材料的热导率随着体积系数的增大而减少。增强相体积分数的增加，在复合材料内部引入了大量的界面，这些界面的存在阻碍了热传导的进行，使材料热导率降低。

      力学性能图3是不同体积分数下AlSiC复合材料的弯曲度。该材料的弯曲强度随着SiC体积分数的增加呈现减少趋势。增强相体积分数增加，复合材料的脆性增大，基体缺乏足够的塑性来传播很高的局部应力，致使复合材料达到正常强度前断裂。而且复合材料的强度还与增强相的大小、形状以及材料的制备工艺有关。在颗粒含量、尺寸及内部缺陷作用下，使得高体积分数AlSiC复合材料的弯曲强度并不随SiC体积分数增大而增大。图4为AlSiC复合材料弯曲试样断口的扫描电子显微镜照片。从图4中可以看到。对于体积分数较高的复合材料整体上呈现出脆性断裂的特征，但在复合材料断口中存在少量的撕裂棱和韧窝，具有一定的塑性变形的特征。体积相分数越高，材料脆性断裂的特征就越明显。