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

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