電子封裝用SiCp_Al復(fù)合材料開發(fā)可研報告

1、電子封裝用SiCp/Al復(fù)合材料開發(fā)與應(yīng)用可行性報告一.項目的主要內(nèi)容鋁碳化硅（AlSiC）電子封裝材料是將金屬的高導(dǎo)熱性與陶瓷的低熱膨脹性相結(jié)合，能滿足多功能特性及設(shè)計要求，具有高導(dǎo)熱、低膨脹、高剛度、低密度、低成本等綜合優(yōu)異性能的電子封裝材料。在國際上，鋁碳化硅屬于微電子封裝材料的第三代產(chǎn)品，是當(dāng)今西方國家芯片封裝的最新型材料。該復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比無氧銅低一半以上，且在一定范圍內(nèi)精確可控，比重僅為無氧銅的三分之一；與第一代kovar封裝合金相比，導(dǎo)熱率可提高十倍，減重三分之二；與第二代封裝金屬W/Cu 、Mo/Cu 相比，分別減重約83%和71%，且成本低得多。另外，SiCp/Al電子

2、封裝材料具備優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，與其他封裝金屬相比，機(jī)械加工及釬焊引起的畸變最小，具有凈成型、加工能力，可焊性也較好。自國際開發(fā)此類技術(shù)迄今十年多來，其應(yīng)用范圍從軍工領(lǐng)域逐步向民用電子器材領(lǐng)域擴(kuò)展，目前已占據(jù)整個電子封裝材料市場近乎50%的使用覆蓋面。由于此項技術(shù)產(chǎn)品具有重要的軍工價值，被歐美國家視為導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星制造等方面的尖端基礎(chǔ)材料，始終作為高度機(jī)密技術(shù)加以封鎖，該產(chǎn)品早已是我國急需的軍工和民用市場上的空白高技術(shù)產(chǎn)品。項目組在前期研究基礎(chǔ)上將進(jìn)一步優(yōu)化自創(chuàng)的無壓滲透法工藝中溫度、摸具、氣氛、時間等工藝參數(shù)；研究不同基體成分制備工藝參數(shù)，增強(qiáng)相顆粒尺寸、形狀、比例等對該材料的導(dǎo)熱性及膨脹系

3、數(shù)影響； 研究新材料鍍鎳及鍍金工藝包括鍍槽成分、酸洗工藝、退火工藝等，形成一套完整的鋁碳化硅（AlSiC）電子封裝零件制備工藝，制備出不同性能的電子封裝材料和具體零件，為鋁碳化硅（AlSiC）電子封裝材料的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。二.相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢以Kovar為代表的第一代封裝合金解決了熱膨脹系數(shù)與芯片及陶瓷基片的匹配問題，但導(dǎo)熱率卻很低（比Cu低20倍）。以W/Cu、Mo/Cu為代表的第二代封裝合金，可以同時實現(xiàn)高導(dǎo)熱與低膨脹，但它們的比重卻很大（比純銅還高），而且制造工藝復(fù)雜，成本高，因此大大制約了它們在輕量化要求中當(dāng)代的使用。特別是限制了在航空航天電子系統(tǒng)只的大量使用。近十年來

4、問世的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）就可望替代第一、第二代專用電子封裝合金，滿足低膨脹，高導(dǎo)熱、輕質(zhì)的要求。目前國主要電子封裝材料性能見下表1：其中Al/SiCp 復(fù)合材料數(shù)據(jù)是本課題組所得數(shù)據(jù)。表1電子封裝應(yīng)用SiCp/Al復(fù)合材料性能材料CTE(ppm/K)熱導(dǎo)率(W/mK)密度(g/ cm3)W-Cu 合金6.5-7.2150-18016.1-16.4Al/SiCp 復(fù)合材料8-12120-1602.0-3.5KOVAR 合金6.2-7.215-228.15-8.19膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率是SiCp/Al復(fù)合材料作為電子封裝應(yīng)用的重要熱物理性能，SiCp/Al復(fù)合材料中增

5、強(qiáng)體顆粒體積分?jǐn)?shù)是對其熱物理性能影響最大的因素之一，一般認(rèn)為隨著SiC增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)增加，其熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率均會逐步下降。Hyo .S. Lee等人通過實驗得出如下數(shù)據(jù)：當(dāng)SiC的體積分?jǐn)?shù)在50%時，其平均熱膨脹系數(shù)為9.5010-6/K，平均熱導(dǎo)率為177W/mK；當(dāng)SiC的體積分?jǐn)?shù)增加到71%時，其平均熱膨脹系數(shù)降至6.3310-6/K，平均熱導(dǎo)率也降至125W/mK。本課題組前期也對此做了一定的探討，在SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為55%時，在100測得復(fù)合材的熱膨脹系數(shù)為9.2510-6/K。SiCp/Al復(fù)合材料基體成分變化對熱物理性能也存在一定的影響，由于鋁合金基體本身的熱物理性能的不

6、同，而形成的復(fù)合材料熱物理性能也存在差異。例如Chihiro Kawai發(fā)現(xiàn)相同增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料，采用不同基體，一個試樣采用純鋁基體，另一個試樣采用含硅為11%的鋁合金基體，最終測得其復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)不同，基體中含11%硅的SiCp/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較小，但同時也發(fā)現(xiàn)含硅鋁合金基體的SiCp/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較高。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝有粉末冶金法、壓鑄法或半固態(tài)凝固法、噴霧沉積法等，但這些方法中都不能制備高比例增強(qiáng)相復(fù)合材料。即使粉末冶金法，增強(qiáng)相最大比例也只能達(dá)40，且都需要真空、高壓、高溫復(fù)雜設(shè)備，還需對增強(qiáng)顆粒進(jìn)行預(yù)處理，即使這樣，也難以制備形狀

7、復(fù)雜零件。近年來，美國Lanxide公司又開發(fā)了一種稱為無壓滲透的技術(shù)，無需特殊設(shè)備，不需對增強(qiáng)顆粒預(yù)處理，在普通加熱爐中加熱不超過1000，氮氣保護(hù)下，可生產(chǎn)出高比例的鋁基復(fù)合材料，可制備各種復(fù)雜形狀構(gòu)件。這是一種低成本生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料方法。但有關(guān)該項技術(shù)的具體細(xì)節(jié)尚未公開報道。SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料已在美國獲得實際應(yīng)用。工程應(yīng)用在二十世紀(jì)九十年代中期興起，最早是美國休斯 公司為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的模塊封裝而開發(fā)。二十世紀(jì)九十年代末，又在F-22 戰(zhàn)斗機(jī)、EA-6B“徘徊表”電子戰(zhàn)斗機(jī)上大量使用。目前，SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料應(yīng)用也有大的突破。本項目申請者從1993年開始在Lan

8、xide公司的無壓滲透法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出簡便易行的在空氣氣氛中的無壓滲透法，能成功的制備出SiC顆粒體積比例在5565的電子封裝用高比例顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。并且對該法制備出SiCp/Al電子封裝的復(fù)合材料相關(guān)膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率進(jìn)行了相關(guān)研究。三. 項目的目的、意義隨著信息技術(shù)高速的發(fā)展，當(dāng)今電器部件中的芯片集成度越來越高，微電路的組裝也越來越高，芯片的尺寸越來越大，功率也越來越大，散熱要求也越來越高。鋁、銅等傳統(tǒng)封裝金屬盡管導(dǎo)熱性能十分理想，但它們的熱膨脹系數(shù)與SiCaAs等芯片不同，因此陶瓷和電容介質(zhì)材料存在高熱錯配力，同時芯片向大尺寸化不斷發(fā)展，陶瓷基片也越來越薄，很容易引起芯片和陶瓷基片的

9、炸裂或某些焊點、焊縫的開裂。以Kovar為代表的第一代封裝合金解決了熱膨脹系數(shù)與芯片及陶瓷基片的匹配問題，但導(dǎo)熱率卻很低（比Cu低20倍）。以W/Cu、Mo/Cu為代表的第二代封裝合金，可以同時實現(xiàn)高導(dǎo)熱與低膨脹，但它們的比重卻很大（比純銅還高），而且制造工藝復(fù)雜，成本高，因此大大制約了它們在輕量化要求中當(dāng)代的使用。特別是限制了在航空航天電子系統(tǒng)只的大量使用。對當(dāng)今搭載電子元器件數(shù)量急劇膨脹的先進(jìn)預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、 大型相控雷達(dá)、衛(wèi)星、彈道導(dǎo)彈等軍事裝備來說，降低自重就意味著提高了靈活性和生存性，降低了燃料裝載量，增加了有效載荷。因此，軍事電子裝備尤其是航空航天飛行器上的裝備迫切需要一種集低膨脹

10、、高導(dǎo)熱、輕質(zhì)三大特性于一身的新型電子封裝材料。 近十年來問世的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）就可望替代第一、第二代專用電子封裝合金，滿足低膨脹，高導(dǎo)熱、輕質(zhì)的要求。該復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比無氧銅低一半以上，且在一定范圍內(nèi)精確可控，比重僅為無氧銅的三分之一；與第一代kovar封裝合金相比，導(dǎo)熱率可提高十倍，減重三分之二；與第二代封裝金屬W/Cu 、Mo/Cu 相比，分別減重約83%和71%，且成本低得多。另外，SiCp/Al電子封裝材料具備優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，與其他封裝金屬相比，機(jī)械加工及釬焊引起的畸變最小，具有凈成型、加工能力，可焊性也較好。 隨著我國逐漸成為世界信息產(chǎn)

11、品的制造基地，對IC產(chǎn)品的需求將不斷增長。根據(jù)有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)研究結(jié)果顯示，2005年，中國集成電路的需求量將達(dá)到500億元人民幣，而屬于本技術(shù)產(chǎn)品主要進(jìn)入領(lǐng)域的功率電子、光電子和微波器件的市場將隨之?dāng)U大，估計不會低于5%的份額，即25億元人民幣的需求量,其中封裝材料每年的市場需求總量大約為1520億元人民幣。 因此，用 SiCp/Al制成各種平板狀的產(chǎn)品，用于各類電路的熱沉、基板、封蓋、過渡片等，可替代目前在使用的氧化鈹、氮化鋁、鉬片、鎢銅合金及其它金屬材料。用 SiCp/Al制造的各類封裝管殼產(chǎn)品，用于各種電路的外殼、底座、管件等，可替代目前在使用的可伐合金、鋼、鉬及其它金屬材料外殼。電子封裝

12、SiCp/Al復(fù)合材料無論從性能上、技術(shù)上取代W/Cu W/Mo 等材料是大勢所趨四.項目實施方案1項目開發(fā)內(nèi)容研究內(nèi)容：1、 材料制備工藝優(yōu)化進(jìn)一步優(yōu)化自創(chuàng)的無壓滲透法工藝中溫度、摸具、氣氛、時間等工藝參數(shù)；為制備出不同形狀尺寸的毛坯件奠定基礎(chǔ)。2、 導(dǎo)熱性研究研究不同基體成分制備工藝參數(shù)，增強(qiáng)相顆粒尺寸、形狀、比例等對該材料的導(dǎo)熱性影響；為制備不同導(dǎo)熱率電子封裝材料作準(zhǔn)備。3、 膨脹性能研究研究不同基體成分制備工藝參數(shù)，增強(qiáng)相顆粒尺寸、形狀、比例等對該材料的膨脹系數(shù)影響；為制備不同膨脹系數(shù)電子封裝材料作準(zhǔn)備。4、 表面鍍金屬工藝研究主要研究新材料鍍鎳及鍍金工藝。包括鍍槽成分、酸洗工藝、退火

13、工藝等。為該材料適應(yīng)不同的密封及可焊性作準(zhǔn)備。5、 選擇一個具體的電子元件制作封接用的SiCp/Al復(fù)合材料。 2.分年度工作內(nèi)容項目進(jìn)展安排20061-2006.12完成制備工藝優(yōu)化，制備出不同形狀尺寸的封裝用零件2007.1-2007.9完成導(dǎo)熱性及膨脹系數(shù)研究,制備出導(dǎo)熱率在190200w/m.k, 熱膨脹系數(shù)在7.19.0*10 /k 的材料2007.10-2007.12完成表面鍍鎳或鍍金的工藝探索,制備出有良好表面鎳層或金層的樣品。2008.1-2008.6完成一個具體電子產(chǎn)品封裝用零件制備及應(yīng)用工作2008.6 項目總結(jié)五.項目實施技術(shù)可行性分析SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料已在美

14、國獲得實際應(yīng)用。工程應(yīng)用在二十世紀(jì)九十年代中期興起，最早是美國休斯 公司為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的模塊封裝而開發(fā)。二十世紀(jì)九十年代末，又在F-22 戰(zhàn)斗機(jī)、EA-6B“徘徊表”電子戰(zhàn)斗機(jī)上大量使用。目前，SiCp/Al電子封裝復(fù)合材料應(yīng)用也有大的突破。本項目申請者從1993年開始在Lanxide公司的無壓滲透法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出簡便易行的在空氣氣氛中的無壓滲透法，能成功的制備出SiC顆粒體積比例在5565的電子封裝用高比例顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本項目的研究可以利用已研制的空氣氛圍下無壓滲透法制備出各種需要的復(fù)合材料試樣及簡單零件，其工藝簡單成本低廉；見下圖。并且對該法制備出SiCp/Al電子封裝的復(fù)合材料

15、相關(guān)膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率進(jìn)行了相關(guān)研究。也可以利用SiCp/Al顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱微屈服行為、熱循環(huán)過程累積殘余應(yīng)變的一些實驗數(shù)據(jù)及理論研究成果，其中完成的“碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料制備工藝”、“高比例SiCp/Al顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料熱循環(huán)過程累積殘余應(yīng)變”等一系列論文,這對本項目的順利完成非常有益； 項目具體技術(shù)方案：a、 增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的影響調(diào)整預(yù)制增強(qiáng)相胚中黏結(jié)劑的含量、選擇大小不同的增強(qiáng)相尺寸或者通過高比例體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料重熔制備出不同增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料。b、 基體成分的影響主要選擇合金元素硅的不同含量進(jìn)行研究另外再選擇銅和鎂的不同含量進(jìn)行研究。c、 碳化硅顆粒形貌的影響選擇多邊形

16、、長條形、近球形碳化硅進(jìn)行對比。d、 碳化硅顆粒尺寸的影響在體積分?jǐn)?shù)相同的情況下選擇4到5種不同尺寸碳化硅顆粒制備復(fù)合材料。e、 熱處理制度的影響選擇不同的熱處理制度探討基體第二相析出對熱導(dǎo)率熱膨脹性能的影響。f、 碳化硅鋁界面結(jié)構(gòu)影響通過測定界面相結(jié)構(gòu)、成分探討界面對熱導(dǎo)率熱膨脹性能的影響。 整個技術(shù)的工藝流程為：選擇SiCp或Al無壓滲透法制備表面鍍鎳 導(dǎo)熱率,膨脹系數(shù)測試-成品 六.項目實施基礎(chǔ)條件我們已具備開展各種制備及實驗測試的條件，比如無壓滲透法裝置、有氣氛保護(hù)燒結(jié)爐、激光導(dǎo)熱儀、掃描電鏡、光學(xué)金相顯微鏡、萬能拉伸儀、高精度天平、圖像分析儀、透射電子顯微鏡、熱機(jī)械分析儀、X射線衍射

17、儀等精密儀器，能為復(fù)合材料的制備及組分參數(shù)（顆粒含量、尺寸、形狀等）、微觀結(jié)構(gòu)、位錯、熱循環(huán)尺寸穩(wěn)定性以及CTE應(yīng)力等各數(shù)據(jù)的測定和細(xì)微分析提供充足的條件；而且學(xué)院有足夠的微機(jī)進(jìn)行實驗分析的繪圖及計算操作，如有限元模擬軟件ANSYS應(yīng)力分析法將在本項目中得到應(yīng)用。此外，我們在人力上也可以保證本項目研究工作的順利進(jìn)行。課題組成員主要為青年教師和博士、碩士研究生，具有很強(qiáng)的理論與實驗分析能力，其組成成員共6人，其中2人為教授， 1人為在讀博士,2人為碩士畢業(yè)生，2人為在讀碩士研究生。申請者及合作者為在讀碩士研究生的導(dǎo)師，本項目將結(jié)合碩士研究生的學(xué)位論文進(jìn)行。為了使項目正常完成，學(xué)校將給于1比1的項

18、目經(jīng)費配套，在儀器設(shè)備使用方面提供方便。七.項目實施經(jīng)濟(jì)社會效益分析經(jīng)濟(jì)方面，隨著電子系統(tǒng)的小型化和高性能化，封裝已變得和芯片一樣重要。封裝成本在半導(dǎo)體銷售中占的比例也越來越大，微電子封裝材料在全球每年有一千多億美元的市場容量。因此電子封裝受到空前的重視，在美國、日本等，電子封裝都是作為一個單獨的行業(yè)來發(fā)展，而對于新加坡、臺灣等亞洲國家和地區(qū)，更是把電子封裝及組裝技術(shù)作為他們的工業(yè)支柱，處于絕對優(yōu)先的發(fā)展地位。隨著我國逐漸成為世界信息產(chǎn)品的制造基地，對IC產(chǎn)品的需求將不斷增長。根據(jù)有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)研究結(jié)果顯示，2005年，中國集成電路的需求量將達(dá)到500億元人民幣，而屬于本技術(shù)產(chǎn)品主要進(jìn)入領(lǐng)域的功率電子、光電子和微波器件的市場將隨之?dāng)U大，估計不會低于5%的份額，即25億元人民幣的需求量,其中封裝材料每年的市場需求總量大約為1520億元人民幣。 采用無壓浸滲技術(shù)批量生