论文导读：解决好热耗散是功率微电子封装的关键。该方法通常由SiC颗粒 预制件的制备和铝合金液的浇铸渗透两步组成。但是其制备工艺和装置决定了所制备的SiCp/Al复合材料产品形状尺寸的特殊性。

　　关键词：电子封装，SiCp/Al,浇铸渗透

　　1. 前言

　　SiC颗粒增强铝基复合材料因其具有广泛的、潜在的应用价值，是在目前非连续增强金属基复合材料中研究较多，较为成熟的复合材料。SiC颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、低密度、高热导性、良好的尺寸稳定性和高微屈服强度等优异的力学和物理性能，被应用到汽车、航天、军事、电子和其他工业领域。从二十世纪八十年代初，世界各国开始竞相研究开发这种新型高性能材料。SiC颗粒增强铝基复合材料正受到越来越广泛的重视。

　　2. SiCp/Al复合材料在电子封装中的应用

　　随着电子装备的日益小型化、多功能化，LSI、VLSI不但集成度越来越高，而且基板上各类IC芯片的组装数及组装密度也越来越高（如MCM），也就是说，功率密度（输出功率／单位体积）越来越大。20世纪80年代末的功率密度为2.5W/cm 3 （40 W／in 3 ），而90年代己达6W／cm 3 （100 W／in 3 ）以上。如何将产生的大量热量散发出去，这是电子装备在一定环境温度条件下能长期正常工作的保证，也是对电子装备的可靠性要求。在这类功率电路的电参数设计、结构设计及热设计三部分中，热设计显得更为重要。因为热耗散的好坏直接影响着电子装备的电性能和结构性能，甚至可引起重要电件能失效和结构的破坏。据统计，在电子产品失效中，由热引起的失效所占比重最大，为55％。由此可见，解决好热耗散是功率微电子封装的关键。

　　为从根本上改进产品的性能，全力研究和开发具有高热导及良好综合性能的新型封装材料显得尤为重要。热膨胀系数（CTE），导热系数（TC）和密度是发展现代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素，只有能够充分兼顾这三项要求，并具有合理的封装工艺性能的材料才能适应电子封装技术发展趋势的要求。而SiC颗粒增强铝基复合材料则恰恰是既具有铝基体优良的导热性又可在相当广的范围内与多种材料的CTE相匹配的复合材料。 [1 ～ 2]

　　对表1中列出的芯片材料 Si、GaAs 以及各种封装材料的性能指标进行对比，不难看出，传统的材料如Al、Cu、Invar合金、Kovar 合金、W/Cu 合金、Mo/Cu 合金等 ,不能满足先进电子封装应用中低膨胀、高导热、低成本的严格要求。而Al 2 O 3 和BeO材料是广为使用的电子封装材料，但由于综合性能、环保、成本等因素，已难以满足功率微电子封装的要求。SiC颗粒增强铝基复合材料具有与Si、GaAs相匹配的热膨胀系数（CTE）以及强度高、重量轻、工艺实施性好、成本较低等特点。

　　因此，既具有优良的物理、机械性能，又具有容易加工、工艺简单、成本低廉、适应环保要求的新型微电子封装材料——SiC颗粒增强铝基复合材料——已能全面满足高密度电子封装技术的要求，成为最具有发展前景金属基复合材料。

　　表1 常用封装材料性能指标 [3]

　　材料热膨胀系数 （10-6/K）热导率 （W/（m*K））密度 （g/cm3）

　　Si4.11502.3

　　GaAs5.8395.3

　　Al2O36.5203.9

　　BeO6.72502.9

　　AlN4.52502.9

　　Al232302.7

　　Cu174008.9

　　Steel（4140）13.5507.8

　　Mo5.014010.2

　　W4.4516819.3

　　Kovar5.9178.3

　　Invar1.610

　　W/10vol%Cu6.520917.0

　　Mo/10vol%Cu7.018010.0

　　Al/SiC8.51602.95

　　3. SiCp/Al复合材料的制备方法

　　金属基复合材料由于具有优良的特性而受到普遍关注，是二十一世纪发展潜力最大的高性能结构材料之一。但因金属熔点较高、对增强基体表面润湿性差等原因，造成金属基复合材料的复合工艺和技术相对复杂和困难 [4] 。

　　颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、固体分散法、喷射沉积法、液态浸渗法及原位复合法。在电子封装中为了与芯片材料的热膨胀系数的匹配 ,往往需要所使用的SiCp/Al 复合材料SiCp的体积分数达 60%～75% [5] 。在颗粒增强金属基复合材料的制备方法中，粉末冶金法、固体分散法和喷射沉积法生产的SiCp/Al复合材料的SiC最大体积百分含量少于55％ [6] ，不能满足于封装的需要。因此，本文仅介绍以下几种针对电子封装用SiCp /Al 复合材料的制备方法。

　　国际上制备封装用的高SiC掺入量的SiC颗粒增强铝基复合材料的普遍方法是液态浸渗法。液态浸渗法是在毛细管力或外界压力的作用下，铝合金液向SiC颗粒的多孔预制件中渗入。该方法通常由SiC颗粒 预制件的制备和铝合金液的浇铸渗透两步组成。

　　3.1 SiC预制件的制造

　　预制件是由堆积的SiC颗粒构成的多孔隙结构，其形状与最终复合物尺寸基本一致，因此可实现产品的近净成形或净成形，达到简化工艺的目的，这也是液态浸渗法的优点之一。论文检测。制造预制件的关键在于控制尺寸精度，同时要求使预制件保持一定的韧性和强度，从而保证浇铸后复合物的质量。SiC预制件的制造工艺类似于通常的陶瓷加工工艺，首先选择合适的SiC粉和粘结剂，按比例混合。混料后进入成形工序，适用的成形方法有干压、热等静压、流延和注模法，具体采用何种工艺，应综合考虑而定。接下来通过加热排去粘结剂，根据粘结剂种类的不同，采用的工艺方法也不一样。 [5]

　　预制件的制备是浸渗法制备颗粒增强金属基复合材料的关键步骤，决定材料是否符合要求。但这一关键步骤却没有引起足够的重视。目前在预制件制备中存在的主要问题是粘结剂的使用 [7] 。对粘结剂的种类、加入量、烘干方式及烧结制度等还需要进行系统的研究。

　　3.2 浇铸渗透工艺

　　浇铸渗透工艺是SiCp/Al复合材料制造过程中最关键的工艺。根据工艺过程中是否施加压力，可分为压力渗透法和无压渗透法。根据生产过程中压力施加的大小，方式的不同，又可将压力渗透法分为挤压铸造法、气体压力渗透铸造法、离心铸造法等 [6] 。

　　3.2.1 挤压铸造法

　　这种方法是在液态合金上施加一个额外压力，使液态合金渗透到颗粒预制件中，并促进与液态合金的润湿、结合。具体工艺：SiC预制件放入石墨铸模中，预热到一定温度，将熔化的铝合金液倒入铸模中，对铝合金液施加压力，使其充分渗入到预制件中，然后去压、冷却。Boq- Kong Hwu等人 [8] 通过采用挤压铸造法制备出SiC颗粒体积含量高达50％的铝碳化硅复合材料。马晓春、丁占来等人 [9 ～ 10] 研究了SiC颗粒增强铝基复合材料的挤压铸造的成型工艺。张强等人 [11] 通过选择不同粒径分布的SiC颗粒，通过挤压铸造制备出3种高SiC颗粒体积含量的铝碳化硅复合材料。黄永攀 [12] 等人探讨了铝基复合材料在铸造压力、碳化硅含量、金属模温和铸件尺寸厚度等工艺参数下的铸造流动性。

　　挤压铸造法不仅具有工艺简单、产量高，能制造尺寸精确、形状复杂的复合材料零件的特点，而且由于其采用高压浸渗，克服了增强体与基体不浸润所造成的复合困难，保证基体和增强体之间有良好的连接，排出了颗粒的空气，消除了气孔等铸造缺陷。但是，由于挤压铸造法需要高压设备及密封良好的耐高压的模具，所以生产费用较高 [13] 。

　　3.2.2 气压渗透法

　　与挤压铸造法类似，气压浸渗铸造法是在外加气体压力的作用下，将金属液浸入增强颗粒预制件的孔隙中。这种方法的具体操作：将SiC预制件放入可密封的模腔中，抽真空并加热到一定温度，浇铸铝合金液，通入惰性气体，在气体压力的作用下使金属熔体浸渗预制件，最后迅速冷却并脱模。俞剑等人 [14] 采用真空压力浸渗法制备的SiCp/Al复合材料，颗粒含量高，热膨胀系数低且可调，符合电子封装的要求。尽管气体压力渗透法制得的SiCp/Al复合材料性能较好，但却存在生产过程缓慢，设备复杂的缺点 [15] 。3.2.3 离心铸造法

　　离心铸造法是制备SiCp/Al复合材料较有成效的新技术之一。将铝合金液均匀浇铸于高速旋转的SiC颗粒预制件中，铝合金液在离心力作用下渗入粒子间隙，凝固后便可得到SiCp/Al复合材料 [13] 。L.Lajoye等人 [16] 从理论上系统的分析了离心铸造法制备颗粒增强金属基复合材料中的颗粒的分布、颗粒的运动位置及复合材料的凝固速度等。谢盛辉等人 [17] 通过采用离心铸造法制备出了高强度的SiC颗粒体积含量达63％的SiCp/Al复合材料

　　尽管离心铸造法省去了高压设备，降低了设备投资和生产成本 [13] ，但是其制备工艺和装置决定了所制备的SiCp/Al复合材料产品形状尺寸的特殊性。因此，尽管离心铸造法可制备出SiC颗粒体积含量较高的SiCp/Al复合材料，但通常为筒环的形状使得其在电子封装中的应用受到了限制。

　　压力渗透法具有渗透时间较短，能够有效控制Al与SiC的界面反应，制备的复合材料较为致密，孔隙较少 [6] ，等其它制备方法所不能比拟的优点。

　　3.2.4 无压渗透法

　　无压渗透法通常指的是Lanxide技术，此工艺是美国Lanxide公司于1986年开发出来的。在该工艺中，铝基体合金被放置于可控制气氛的加热炉中，将其加热到基体合金液相线以上温度，无需施加外界压力合金熔体可自发渗透到颗粒层或预制块中，最终形成SiCp/Al复合材料 [18] 。但要使自发渗透得以进行必须具备N 2 的气氛环境和铝合金中含有一定的Mg元素。K.B.LEE等人 [19] 研究了采用无压渗透法制备出的AA6061/SiCp复合材料的结构和特性。M.Rodriguez-Reyes等人 [20] 研究了无压渗透法制备SiCp/Al复合材料过程中的界面反应，并分析了Al 4 C 3 在界面反应中的作用。石锋等人 [21 ～ 22] 分析了无压渗透制备SiCp/Al复合材料中Mg、Si元素及SiO 2 膜的存在对SiCp/Al系统润湿与渗透的影响。

　　Lanxide 技术工艺简单，不需要昂贵设备，成本较低。用该方法生产的SiCp/Al复合材料制品尺寸精确，不会因致密化而收缩或变形，能够用于制造大尺寸及形状复杂的制品。同时，Lanxide 技术也存在其缺点及局限性。在应用该工艺制备SiCp/Al复合材料时，SiCp增强体的某些部位并不能完全渗透，制品中常会存在少量气孔，且生产过程所需要的时间较长 [18] 。而Lanxide工艺得以实现的条件——N 2 环境和铝合金含Mg——是无压渗透工艺的局限性所在。

　　3.2.5 空气气氛下无压渗透法

　　由于Lanxide工艺需要在N 2 的渗透气氛下才能使铝液自动渗入填料中形成性能优良的复合材料。这不仅对生产设备提出了较高的要求，而且增加了生产成本的投入。因此国内外都在致力于开发出更为简单、实用、成本低、效果好的制造工艺。

　　张建云等人 [23 ～ 25] 在Lanxide制备工艺的基础上开发出一种制备颗粒增强铝基复合材料的更为简单的新方法，即在空气气氛下，使用特殊的助渗剂，使铝或铝合金自动渗入颗粒填料中，形成复合材料。具体的制备工艺是：将SiC颗粒或预制件放入模具中，熔炼铝合金并加入助渗剂，然后将铝合金液浇铸到模具中，在加热炉中保温一段时间，冷却即可得到SiCp/Al复合材料。论文检测。其渗透机理是：当铝合金液浇入模内时将SiC颗粒与外界环境隔开，此时，SiC颗粒间孔隙中所截留的空气与铝合金液中的助渗剂反应而被消耗，在SiC颗粒层中形成负压，致使铝合金液被吸入孔隙中，从而达到渗透的目的。

　　空气气氛下无压渗透工艺简单、方便，可以制备出高体积含量的电子封装用SiC颗粒增强铝基复合材料，且所得材料颗粒分布均匀，增强颗粒与基体结合良好。但因该方法的渗透过程基于助渗剂与孔隙中空气的较为复杂的化学反应，因此，助渗剂的选择是该工艺的关键。此工艺要求助渗剂不仅要具有改善金属表面氧化层性质，使铝合金液与增强颗粒的润湿性提高的作用，而且还要具有与截留空气反应，在孔隙中形成负压的特性。同时，助渗剂的用量、铝合金液的浇注温度、保温温度、保温时间等工艺参数都会影响渗透的速度和效果。

　　3.3 制备工艺中存在的问题及解决方法

　　液态浸渗法制备SiCp/Al复合材料的过程中普遍存在着SiC颗粒和金属铝液浸润性差的问题。SiC颗粒和金属铝液润湿性差主要是由于界面上Al 2 O 3 膜的存在，而温度、保温时间、界面反应等因素对SiC颗粒与铝合金液间的润湿的影响也不可忽视 [18] 。由影响润湿性的因素可以得到改善润湿性的方法，主要是对SiC颗粒进行表面预处理和在铝基体中添加适当的合金元素。

　　对SiC颗粒进行表面处理以提高润湿性的方法主要有SiC颗粒表面杂质的去除和在SiC颗粒表面涂上金属涂层。SiC颗粒表面常常吸附一层有机物或水蒸气，大大降低了SiC颗粒于基体合金之间的润湿性。对SiC颗粒进行高温处理在去除SiC颗粒表面杂质的同时在SiC颗粒表面形成一层连续致密的SiO 2 层 [13] ，有利于提高润湿性。而通过在SiC颗粒表面涂上金属或氟化物可以提高固体的表面能，新的界面代替的原来的结合性不好的界面，从而提高润湿性。金属Ni、K 2 ZrF 6 、K 2 TiF 6 等都是较好的用来提高SiCp/Al润湿性的SiC颗粒涂层材料。在铝基体中适当的加入Mg、Li、Ca等合金元素可以起到提高SiCp/Al润湿性的作用，其中，Mg是最有效的添加剂 [18] 。

　　4. 结束语

　　随着电子封装技术的不断发展必然会对封装材料提出更高的要求。因此，研究和开发满足封装技术发展要求的具有优异综合性能的封装材料显得尤为重要。同时，对现有的制备封装用颗粒增强金属基复合材料的方法进行优化，使工艺趋于简单化的同时降低生产成本，并实现产业化，都成为重要的研究方向。论文检测。

　　我国电子封装起步较晚，对封装材料的研究也落后于国外。近些年有部分院所已经开始了对SiC颗粒增强铝基复合材料的研究探索。要达到并超过国外的水平还要众多学者的不断努力。国内已有院所通过空气气氛下的无压渗透工艺制备出高SiC体积含量的SiCp/Al复合材料。但是，对此工艺中的助渗剂种类及加入量、合金液的浇注温度、浇注后的保温温度及时间等参数还缺乏系统的研究总结。

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