SiC/Al封裝材料制備工藝研究現狀

包建勛

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

SiC/Al封裝材料制備工藝研究現狀

包建勛

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

立足于滿足封裝材料服役性能需求，比較了攪拌鑄造，粉末冶金，多孔預置體浸滲，噴射共沉積等SiC/ Al復合材料的制備工藝，以及由這些工藝制備的復合材料的特性，從而探討各種工藝在制備電子封裝基板材料的適用性。

SiC/Al復合材料；電子封裝；基板材料；制備工藝

1 介紹

高體分SiC/Al復合材料優異的機械和熱物理性能，使其在電子封裝領域具有巨大的潛力[1]。近20年，研究人員對其制備技術進行了積極的探索，開發了若干種高體分SiC/Al復合材料制備方法。目前比較成熟的工藝有攪拌鑄造，粉末冶金，液相浸滲，噴射沉積等。采用這些工藝方法生產的零部件已經在汽車發動機制造、航空航天器和電子封裝領域獲得應用。本文將在工藝適用性和成本、各種工藝所得材料性能以及相應工藝的潛力等，進行比較分析。

2 電子基板SiC/Al復合材料制備工藝

根據制備過程中Al合金基體的物相狀態，制備工藝可分為兩大類，即固相制備法和液相制備法。固相法包括粉末冶金，液相法則有攪拌鑄造，噴射共沉積，液相浸滲。其中浸滲法又根據是否需要外壓，分為壓力浸滲和無壓浸滲。

2.1 固相制備法

粉末冶金工藝[2]的原理是采用機械合金化將SiC顆粒和Al顆粒混合均勻，成型，并在保護氣氛下在Al合金熔點以下50～100℃燒結。常壓燒結所得復合材料殘余氣孔率偏高，采用熱壓燒結或熱等靜壓處理，或將常壓燒結件經過熱擠壓處理，能極大提高材料致密度，從而提高基板材料導熱性能和機械性能。粉末冶金法在較低溫度下進行，避免了熔融態Al過度侵蝕SiC，因此能很好的保留Al合金和SiC陶瓷自身的優異特性。另外粉末冶金工藝非常成熟，生產流水線的建設周期短。正如上述，粉末冶金工藝的不足之處比較明顯，所制備的復合材料有較多的氣孔，嚴重影響材料的熱機械性能，需要后續的熱壓力處理，因此難以實現復雜幾何形狀的近尺寸成型，考慮到復合材料中含有較大含量的硬質材料SiC，后續加工的難度和加工量很大。此外，粉末冶金工藝對SiC和Al顆粒混合的均勻性要求很高，特別是要避免SiC的偏聚。在制備復合材料的燒結溫度下，SiC偏聚區域無法燒結致密，也是導致氣孔率上升的原因之一。

2.2 液相制備方法

攪拌鑄造法適用于體積含量低的SiC/Al復合材料制備[3]，工藝成熟簡單，對設備的投資和生產成本低。然而該種工藝制備的SiC含量普遍較低，因為在Al合金中加入過多的SiC顆粒，例如超過25%體積分數，會導致固液混合體黏度增大，難以通過機械攪拌分散和混合均勻，更難以通過機械或氣壓使混合漿料成型。復合材料中SiC體積分數低，無法約束基體合金的熱膨脹，不能解決因為半導體材料和基板之間的較大的膨脹差異，因而不適用于制備基板材料。

噴射共沉積法[4]通過高速氣流將SiC和霧化Al合金液從兩個噴嘴中噴出并沉積于耐熱模具上，通過熱擠壓致密化得到最終復合材料。這個方法可以獲得任意比例的SiC/Al復合材料，兼具粉末冶金法燒結溫度低，復合材料界面潔凈等優點。結合激光或等離子局部燒結技術，以及被譽為新一輪工業革命的3D打印技術，可以實現異形件的快速增材制造，對原材料的消耗極大的降低，是環境友好型的制備方法。目前噴射共沉積工藝面臨制備周期較長。和粉末冶金法的情況類似，噴射共沉積法制備的高體分SiC/Al殘余氣孔率偏高，需要后續熱軋，這是該種技術結合3D打印技術實現增材制造需要解決的重要問題。

浸滲法[5]又包括壓力浸滲法和無壓浸滲法。壓力浸滲包括擠壓鑄造，離心鑄造，真空輔助浸滲和氣壓浸滲等。材料復合主要驅動力是外界對熔融Al合金液施加各種形式的壓力，包括氣壓差，機械壓力，離心力等。無壓浸滲的驅動力則主要是毛細管壓力差。浸滲法可制備SiC體積含量超過70%的復合材料，在降低材料線膨脹系數上具有優勢。壓力浸滲可以在Al合金液相線以上較低溫度進行，工藝周期短，但是需要專門的壓力浸滲設備，并且要求SiC預制件具有足夠的抗壓強度，保證在加壓過程中不至于破壞失效。無壓浸滲需要較高溫度和特定氣氛，但是對于制備異形件近凈尺寸有巨大的優勢，制備設備簡單，容易實現大尺寸化和批量生產。

當采用浸滲法制備高體積分數SiC/Al復合材料時，要注意控制界面反應，因為相對于固態的Al顆粒，熔融Al合金易侵蝕SiC，產物Al4C3不但降低材料的導熱性能和機械性能，而且其具有強烈的吸濕水解傾向，嚴重損害復合材料的可靠性。

3 結論

各種工藝方法制備SiC/Al復合材料均有不同的優勢，除攪拌鑄造外，均能制備達到電子封裝材料要求的復合材料。粉末冶金工藝成熟，而液相法則能進一步提高材料的熱機械性能。結合3D打印技術，噴射共沉積法尚有潛力待挖掘；綜合比較結果顯示，浸滲法因其低成本，能制備超高體分SiC/Al而成為較佳的電子封裝基板材料制備工藝。

[1]黃強，顧明元.電子封裝用金屬基復合材料的研究現狀[J].電子與封裝，2003，3（2）：22-25.

[2]王曉陽，朱麗娟，劉越.粉末冶金法制備AlSiC電子封裝材料及性能[J].電子與封裝，2007，7（5）：9-11.

[3]Gupta M， Lu L， Ang S. E.. Effect of microstructural features on the aging behavior of Al-Cu/SiC metal matrix composites processed using casting and rheocasting routes[J].Journal of Materials Science.1997，32:1261-1267.

[4] Jacobson OM.， Andrew Ogilvy.Property measurements on osprey spray-deposited Al-Si alloys[J].Matt，2002(5):36-37.

[5]向華，曲選輝，肖平安，等.SiCp/Al電子封裝復合材料的現狀和發展[J].材料導報，2003，2（17）：54-57.

TF1

A

1674-6708（2015）145-0035-01

包建勛，研究生，助理研究員，研究方向：金屬基復合材料