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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@