高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展

一直被模仿,从未被超越!

高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展/钟　

鼓等 13

高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展

钟　鼓,吴树森,万　里

(华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,武汉430074)

摘要　　高体积分数的SiCp/Al复合材料和高Si含量Al2Si合金具有高导热、膨胀系数可调、低密度等特性,成

为理想的电子封装材料。结合笔者的研究成果,详细介绍了目前国内外该材料的制备工艺及应用情况,指出了各工艺方法在规模化商业生产中存在的不足,展望了未来研究及发展的方向。

关键词　　高体积分数　SiCp/Al　Al2Si合金　电子封装

ResearchDevelopmentofElectronicPackagingMaterialswithHigh

SiCporSiContent

ZHONGGu,WUShusen,WANLi

(StateKeyLabofMaterialProcessingandDie&MoldTechnology,HuazhongUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430074)

Abstract　　HighvolumefractionSiCpreinforcedaluminummatrixcompositesandhighSiAl2Sialloy

becometheidealcandidatesforelectronicpackagingmaterialsduetothermalcon2ductivity,tailorablecoefficientofthermalexpansionaswellaslowoftheauthors,thefabricationtechnologiesandpresentindetail.Thedrawbacksofthetechnologiesandthedirectionsforthefuturere2searchandKeyfAl,Al2Sialloy,electronicpackaging

随着集成电路(IC)集成度不断提高,单位面积发热量增多。由于目前的封装材料不能有效散热,芯片30%的性能被限制发挥[1]。当前先进封装技术对理想电子封装材料的要求

[2～3,6]

作为芯片用材料的Si和GaAs以及用作基片的Al2O3、

AlN等陶瓷材料,其CTE值介于(4～7)×10-6/K之间,可以通

是:

(1)导热性能好,能将半导体芯片在工作时产生的热量及时散发

过调节SiC或Si含量来获得与之匹配的铝基复合材料。当SiC

体积分数达到70%时可以获得与GaAs、Al2O3(CTE:6.7×

10-6/K)相当的CTE值[6],而要满足封装要求,SiC的体积分数

出去;(2)热膨胀系数(CTE)与Si或GaAs等芯片材料相匹配,以避免芯片因热应力损坏。研究表明当基板和芯片的热膨胀系数差超过1.2×10-5/K时,其将只能承受约100个热循环便出现分离[4];(3)有足够的强度和刚度,对芯片能起到支承和保护作用;(4)成本尽可能低,以满足大规模商业化应用。此外在航空航天及轻量化移动通信设备上还要求具有低的密度。单一成分的材料不可能同时兼具以上性能,因此金属基复合材料成为研究的热点,而尤以高体积分数的SiCp或Si增强铝基复合材料备受青睐。铝和硅都是自然界中储量丰富的元素,来源广泛,成本低廉,其各自物理化学性能如表1。

表1　Si、GaAs及封装用材料的性能

材料

SiGaAsSiCAl

[5]

通常要在55%以上[7]。增强颗粒SiC加入Al对材料导热性能的影响不大,热导率(TC)仍在140～220W/(m K)之间,从而使SiCp/Al具备了高导热、低膨胀、高比强度和比刚度的特性,被称为第三代电子封装材料。

1　SiCp/Al电子封装材料的制备及应用

经过近30年的发展,人们在金属基复合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界面反应规律、控制界面反应的途径等方面取得了重要进展,大大推动了金属基复合材料的发展和应用。目前国内外制备高体积分数SiCp增强铝基复合材料的方法主要有粉末冶金法、铸造法、等离子烧结等。

热导率

W/(m K)

13539140238

CTE密度

g/cm2.35.33.22.7

3

×10/K4.15.8

4.723

-6

弹性模量GPa

297138.570450

1.1　粉末冶金法

粉末冶金法(PM)是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺[8],现已发展为一项成熟的制备工艺。其工艺过程为:将基体与增强相粉末混合均匀,置于模具中压制成坯体后在不同工艺条件下干燥并烧结。粉末冶金法的优点是:SiC体积分数可在15%～75%之间任意调节,成分比例控制准确、方

　钟鼓:男,1983年生,博士研究生,主要从事金属基复合材料方面的研究　E2mail:zhgu2005@

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14 材料导报　　　　2008年2月第22卷第2

期

便,由于烧结温度较低,不存在界面反应。但其原材料和设备成

本高,产品致密度较差,结构和尺寸也受到限制。针对这些问题,现行PM法采用了冷等静压(CIP)、热等静压(HIP)和机械合金化(MA)等改进工艺,使产品的组织和性能得到了很大提高。图1为现行PM法制备SiCp/Al工艺流程图

[9]

增强颗粒在基体中的均匀分布,为保证其流动性需保持较高的

液相温度,易发生有害反应,且吸气较为严重,降低产品综合性能。由于在SiC含量方面的限制,难以获得与基片相匹配的

CTE,国内少有研究其在制备电子封装材料方面的应用。美国

。目前国外TTC(ThermalTransferComposites)公司采用PRIMEXCastTM

采用PM法生产SiCp/Al的主要是Polese公司,其流程为[10]:全自动的工艺操作和精确的数控技术对混合粉末进行机械压制或水压,获得近成形坯体后烧结,能实现50%～70%(vol)SiCp/

Al近净成形生产[6]。中南大学、沈阳大学等单位也进行了相关

技术(如图3[13]),将无压渗透与搅拌铸造相结合,制备出体积分数为20%～40%的SiCp/Al复合材料,用于封装中较高导热的

需要

。

研究,王晓阳等[11]将冷压成形的压坯于650～690℃在真空炉中保温热压制得SiC体积分数为50%、55%、60%的3种复合材料,颗粒分布均匀,组织致密,其中60vol%的SiCp/Al复合材料在25～100℃的CTE介于(6.7～8.4)×10-6/K之间,TC为

145W/(m K)左右,能较好地满足封装需要。笔者在真空烧结

制备SiCp/Al的研究中发现,在极限真空为0.067Pa条件下于

680～700℃进行液相烧结,可以制备出性能较好的复合材料。

图3　PRIMEXCastTM工艺流程

图2为该条件下制得的55vol%SiCp/Al的微观组织。烧结温度低于680℃时铝不能形成紧固的网络结构,界面结合较弱、强度差;温度高于700℃时铝液易渗出

。

1.2.2　无压渗透

无压浸渗工艺是20世纪80年代末90年代初美国Lanxide

公司的Aghajanian等[14],随,的净成型。其工艺))混合,采用不同工艺和措施,在N2气氛或真空下加热到850～1100℃实现浸渗。Lanxide的PRIMEXTM技术认为实现无压渗透必须满足两个基本条件:一是金属液中含有适量的Mg,二是处于N2气氛下。图4为Lanxide提出的无压渗透示意图

。

图4　Lanxide无压渗透示意图

德国DMC2和美国TTC公司均采用PRIMEXTM技术生产SiCp/Al产品,其工艺流程如图5所示[13]

。

1.2　铸造法

铸造法目前广泛用于制备颗粒增强铝基复合材料,它是将液态金属与颗粒的混合浆料浇注成形的一种技术,其设备简单、成本低,易实现大批量工业化生产,主要有搅拌铸造、无压渗透和挤压铸造。

1.2.1　搅拌铸造

该法采用机械、电磁、超声波等搅拌工艺使增强体均匀分散到金属液中得到悬浮浆料,然后直接浇注成铸锭或铸件,可以制备体积分数为10%～40%的复合材料[12]。其缺点是难以实现

图5　PRIMEXTM工艺流程图

实现无压渗透的难点集中在预制件的制备和金属液的渗透,而这两方面在国内外都属专利技术。国内关于预制件的制

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备已有多项专利,曲选辉等[15]采用注射成形和热脱脂相结合,顾明元等[16]采用凝胶注模成型工艺均制得SiCp体积分数为55%～75%的预制件。无压浸渗理论已得到广泛研究,其本质是利用物体的表面能或在体系中发生反应消耗预制件孔隙中残余氧和N2形成负压,通过毛细作用将金属熔体吸入预制件中。由于SiC/Al属于陶瓷/金属或合金体系,润湿性差,一般润湿角θ>90°,主要是Al的表面有一层致密Al2O3膜,800℃时Al2

Al2O3体系平衡氧分压在10-44Pa左右[17],因此氧化膜的存在

15

增大,致密度降低,这是因为要获得高体积分数的预制件需要不

同粒径的颗粒配合,从而在大颗粒与小颗粒之间形成过多微小间隙,使得金属液不能渗入,导致产品致密度、热导率和抗弯强度等降低。增大挤压强度可以制得更致密的预制件。RAstha2

na

[26]

指出要消除复合材料中的孔隙需要超过100MPa的压力,

但预制件的强度有限,通常不超过50MPa。挤压铸造具有生产周期短,冷却速度快,易于批量生产,增强体的体积分数可调范围大等优点,但是挤压铸造在制备大件和复杂件方面有些无能为力,且对预制块的强度要求太高。美国CPS公司主要采用挤压铸造法生产高体积分数的SiCp/Al复合材料,其工艺是将注射成形和快速挤压相结合———QuickSetTM和QuickCastTM(工艺流程如图7

[27]

几乎不可避免。体系要在900℃以上加入合金元素Si才能有效

[18]

减小润湿角,而随着金属液温度的升高体系将容易发生有害界面反应,生成脆性产物Al3C4。Al3C4的存在不仅增加热阻,而且遇水分解将导致产品失效。因此改善体系的润湿性,抑制有害界面反应的发生是实现无压渗透制得性能良好复合材料的关键。研究者[17,19～22]普遍认为加入合金元素Mg、Si等能有效改善SiC和Al的润湿性,并抑制界面反应,主要原理为:①Mg、Si是表面活性元素,能降低体系表面自由能;②Si作为反应产物能抑制界面反应的进行;③Mg的加入能破坏Al表面的氧化膜,并与金属液前沿的O2及SiC颗粒表面的SiO2反应,生成

MgO或MgAl2O4,从而促进渗透的进行。Pech2Canul等[22～24]

),可将密封环和基片等元件嵌入,实现整体成

形,无需钎焊

。

对渗透机理及参数的优化进行了大量研究,发现在SiC颗粒中

μm的SiO2颗粒可以在SiC颗粒表面生加入6vol%粒径为3～4

成一层MgAl2O4,抑制Al3C4的生成,通过研究Mg含量、SiC:μm的α202SiC%到最大浸渗深度[20]认为通过高温下1300℃保温40h可以在SiC900nm厚的氧化膜,另外用Ni、Cu、Ag、K2ZrF6等涂覆SiC颗粒表面,可显著提高SiC表面和Al的润湿能力,但是对大量微米级颗粒进行表面处理很难保证均匀且工艺复杂,生产成本高。

[19]

图7　CPS公司QuickSetTM/QuickCastTM

制备SiCp/Al工艺流程图

1.2.3　挤压铸造

挤压铸造是一种较为成熟的制备金属基复合材料的工艺,其工艺过程为:将增强体制成的多孔预制件放入模具,浇入金属液后加压,使基体合金渗入预制件,整个成形过程是压力下渗透压力下凝固(图6为挤压铸造示意图)

。

1.3　SiCp/Al复合材料在电子封装上的应用

由于国外研究起步早,美国TTC、CPS、Polese、PCC2AFT,德国DMC2以及法国Egide2Xeram等公司的产品已在军用、航空航天、汽车工业等领域得到广泛应用。TTC基于PRIM2

EXTM、PRIMEXUltraTM和PRIMEXCastTM技术开发的PRIMECOOLTM、PRIMEFLOTM系列热管理材料已应用于LEO(Low2earth2orbit)卫星PWB基板,F222Raptor(猛禽)、EA26BProwler(徘徊者)、F218Hornet(大黄蜂)、EurofighterTyphoon(欧洲“台风”战斗机)等军用飞机的无线遥控装置、发电机组及

平视显示器仪表面板,ALE250的拖曳式诱饵弹系统,火星探路者和卡西尼号太空船等的深太空探测器,通用第一款电池家用车EV1(R)和丰田的混合动力车PRIUS(R)、日本新干线700系列的IGBT基板[13]。DMC2目前与CEPAL实验室合作,致力于研制高质量、低成本的SiCp/Al微处理外壳[6]。Egide2Xe2

图6　挤压铸造示意图

挤压铸造能很好地克服体系润湿性差的问题,并且由于浸

渗时间短,只需几十秒或几分钟,可以避免有害界面反应的发生,因此挤压铸造能得到综合性能优良的复合材料。H.S.Lee

μm和48μm的SiC颗粒制得体积分数为50%、等[25]用858%、

71%的预制件,于50MPa下挤压充型并保压30s,得到致密度为98.9%、99.3%、97.8%的复合材料。可见随着颗粒体积分数的

ram[28]生产的60mm×60mm、60mm×120mm、200mm×200mm

大尺寸基板已用于Thomson2CSF雷达的微波封装。CPS的产

品更是广泛应用于FC微处理器、微波电路及光电子封装外壳(如图8),大功率及功率转换器件的IGBT基板(如图9)以及高亮度LED基板,其价格为外壳1.5～5美元/件,功率基板6～15美元/件,LED基板1～5美元/件[29]。2006年12月CPS公布其生产的IGBT基板已能承受数千次的热循环而不会出现基片

一直被模仿,从未被超越!

16 材料导报　　　　2008年2月第22卷第2期

与基板的分层脱离。各公司产品及性能见表2[13,29～32]。目前国

内某微电子公司[33]已于2007年2月投产亚洲第一条SiC/Al生产线,该公司采用无压渗透技术能提供3mm×3mm×0.5mm～156mm×156mm×10mm的SiC/Al系列平板。

表2　产品型号及性能参数

公司

TTCPRIMEXCastTMTTCPRIMEXULTRA

TM

型号

MCX21195TMMCX21405TMMCX21605TMMCX2693TMMCX2703TMMCX2696TMMCX2724TMMCT487TM

AlSiC9(63vol%)AlSiC10(55vol%)AlSiC12(37vol%)

700

1200AlSiCBAlSiCCAlSiC30CTE热导率

W/(m K)×10-6/K18311.916514.0

密度

g/cm

3弹性模量抗弯强度

GPaMPa

151125106255240262235330188167167224100//110220230

226239295300330517330225488450471//210205

2.872.802.772.983.003.012.943.103.012.962.89

13218018519216525520020018021017022022616516.26.47.06.97.24.88.7510.5611.5

&PRIMEX

TM

性能俱佳的封装材料。高Si含量的Al2Si合金即是这种理想材

料,早期住友公司采用传统粉末冶金法生产的Al240wt%Si合金也用于电子封装[28],但性能不甚理想,由于很难制备更高含量的Al2Si合金,应用受到限制。随着喷射沉积工艺的发展,英国Osprey公司已能实现高Si(60%～80%(wt))含量Al2Si合金的批量生产,其生产工艺流程如图10[34]。Osprey生产的这一系列合金称之为CE合金(Contolledexpansion),即可通过调节合金中Si的含量来控制CTE值,CE合金范围及其CTE值随Si含量变化的曲线如图11[35]。CE合金性能优良,质量是Cu/W的1/6、Cu/Mo的1/4、Kovar的1/3、Ti的1/2,生产成本是Cu/W的2/5、Cu/Mo的1/2

、SiC/Al的7/10,其中CE7～CE17的TC在130～175W/(m K)之间,CTE在-77～127℃间变化不大,能实现与Al2O3、GaAs的有效匹配。CE合金已用于雷达组件的气密微波封装、EADS2Artis4卫星微电子电路、光微电机系统、雷声(Raytheon)的太空和军用飞机系统等。目前Osprey的CE6(Al280wt%Si)已在生产,CE5(Al287wt%Si)正在研发中。

CPS

PoleseAMETEK

6.0～8.03.0216.0～18.02.777.5～8.73.046.8～7.63.0387

04

PCC2AFT

2　Al2Si电子封装材料的制备及应用

尽管高体积分数SiCp/Al复合材料性能优越,但是由于其SiC硬质颗粒含量高不易二次加工,只有近净成形或净成形工艺才能制得性能好成本低廉的产品,而目前SiCp/Al的价格还很高。此外SiCp/Al复合材料表面只有全部是Al时才能可靠地电镀和钎焊,因此人们希望找到一种机加工性能、电镀和钎焊

但喷射沉积法也存在一些不足,如合金熔炼温度一般不低

于1000℃,且随着Si含量的提高,温度也随之升高;沉积后的合金致密度不够,需后续的HIP工艺改善;需要CNC或EDM加工,成本增高。Seok等[35]采用放电烧结与加压结合,对Si和Al210wt%Si混合粉末经过加热除杂预处理后于500℃充以2000A的电流并施加29400N的载荷,

制得致密的Al273wt%Si合金。Osprey工艺和放电烧结都对设备要求很高,杨培勇等[36]采用粉末冶金液相烧结的方法,于720MPa压制粉末,1000℃烧结2h得到的Si50wt%2Al,热导率可达130W/(m K)。由于Si颗粒较脆,超过一定的压制压力会导致颗粒出现裂纹甚至破碎,因此采用新型粉末冶金法制备更高含量的Al2Si合金还有待进一步研究。

3　结束语

高体积分数SiCp/Al复合材料以及高Si含量的Al2Si合金的研究已经取得了很大进展,国外已应用于航空航天、军用及汽

一直被模仿,从未被超越!

高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展/钟　

鼓等

车领域的电子封装,其性能优越性得到凸现。我国对SiCp/Al复合材料的研制始于20世纪90年代后期,现已初步完成了复杂形状预制件的注射成形和构件近净成形研究,并在产品中得到应用,与国外同体积分数SiCp/Al封装材料相比CTE值基本接近,但热导率还存在较大差距。高Si含量Al2Si合金用于电子封装的制备国内最近几年才有报道,且成形方法还比较单一。目前各种制备方法成本均比较高,产品还难以在大规模商业生产中推广,因此研究和开发适于规模化生产的净成形工艺具有重要意义。

17

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3

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1314

15

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1819

(责任编辑　邓小军)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qmn4.html