高硅铝合金工程化应用

典型构件加工尺寸：100´100´10mm，最小壁厚0.5mm
热 膨 胀 系 数：7~17´ 10-6/K（可调）
导 热 率： ≥ 120W/m.K
密
度：2.4~2.6g/cm3
气密性满足国军标GJB548B-1014要求（<1.0 ´ 10-9Pa.m3/s）
镀层质量，满足国标GB/T 5270-2005
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张春伟 铸鼎工大副总 15045069318
邢大伟 铸鼎工大总经理 哈工大材料学院研究员 13804603138
梯度高硅铝合金 电子封装材料介绍
哈尔滨铸鼎工大新材料科技有限公司
主要内容
一、高硅铝合金电子封装材料特点 二、具有梯度结构的高硅铝合金 三、应用领域 四、铸鼎工大提供产品与解决方案
一、高硅铝合金电子封装材料特点
1、组件级封装 对封装材料的基本要求
1) 热膨胀系数匹配 2）导热性好 3）密度较小 4）易于加工成型 5）一定的结构强度
3、平面梯度盖板、梯度板型件
27/50Si
其他部分产品样品
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2、高硅铝合金在综合性能上很好地满足上述要求
常用高硅铝合金，主要由铝、硅两种元素组成合金， 含硅量从27%—70%。
高硅铝合金系列材料性能指标（含硅量27—70%）
合金 系列
成分
热膨胀系数 ×10-6/K
CE17 Al-Si27
17
CE13 Al-Si42
13
CE11 Al-Si50
11
CE9 Al-Si60
9
CE7 Al-Si70
7
热导率 (25℃) (W·m-1·K-1)
160 150 140 129 120
抗拉强度 屈服强度 抗弯强度
/MPa
/MPa
/MPa
160 110 210
170 155 215
140 125 175
120
-
140
100
-
130
3、业内公认的高硅铝合金基本指标数据
材料致密度：>99.8%; 初生硅≤30mm
1、高硅铝合金系列成分材料坯锭与壳体件
包括27Si、40Si、50Si、60Si、70Si
2、梯度高硅铝合金材料坯锭与壳体件 包括 27/50Si(三层梯度27-40-50Si)—代号TD50Si 27/60Si（四层梯度40Si-50Si-60Si）--代号TD60Si 40/70Si(三层梯度40-55-70Si) --代号TD70Si
三、应用领域
用于雷达、微波组件管壳，大量代替可伐合金、钨铜、钼铜等。
用于微电子电路盒
用于微电子电路盒
微波接收器、 转换器、功率 放大器
用于国防、航天领域密闭封装
用于一体化器件封装
用于Ka波段放大器封装盒子
四、铸鼎工大提供材料产品与解决方案
铸鼎工大通过独有的技术生产，提供前述的高硅铝及梯度高硅铝系列 材料。 并可配合用户进行针对具体型号件壳体的机加以及电镀、焊接的试验 与工艺摸索和定型。 亦可配合用户针对具体零件需求，设计特殊的梯度结构材料。
11
(W·m -1·K-1)
密度/ 2.3 5.3 3.9 2.9 3.2 2.7 8.9 10.2 19.3 8.3
8.1
(g·cm -3)
半导体基体材料 （芯片级）陶瓷封装材料
纯金属
材料种类
热膨胀系数
CTE /(10-6 K-1)
热导率/ (W·m -1·K-1)
W/Cu
Mo/Cu
7.6—9.1 7.2—8.0
单面梯度壳体件， 机加工后梯度层
清晰可见
梯度成分坯料，线切割后可通 过颜色深浅区分不同梯度层
中间为50Si， 向边缘部分逐 渐过渡到27Si
双面梯度壳体件，机加工后 显示出清晰的成分梯度层
盖板和壳体边缘同属 27Si，具有良好的激
光封焊性能
4、梯度高硅铝合金材料渐变的显微组织
制备梯度材料目的：
27Si 38Si 50Si 38Si 27Si
1、梯度功能材料（FGM）定义与结构
成分 结构 组织 性能
FGM 结构示意图
梯度结构的目的：兼顾不同成分与组织的使用性能
2、梯度高硅铝合金应用于封装管壳示意图
3、铸鼎工大梯度材料实现
通过独有的技术实现了成分梯度的材料设计制造，及壳 体材料的加工制造
顶部为 27Si
中间过 渡层38Si
底边为 50Si
从发展趋势上来说，高硅铝合金在很多方面将逐步代 替可伐合金、碳化硅/铝复合材料、钨铜、钼铜等封装材料。
碳化硅/铝的显微组织
高硅铝合金的显微组织
5、高硅铝合金制备过程
喷射成型
典型的制备工艺路线
热等静压
锭子
锭子
切割
电火花加工 或数控加工
料块
切片
电镀Ni/Au
平板 最终产品
二、具有梯度结构的高硅铝合金
4、三代封装材料基本性能指标对比
几种常用封装材料性能指标
材料种类 Si
GaAs Al2O3 BeO AlN
Al
Cu Mo W
Kovar Invar
热膨胀系数 4.1 6.0 6.5
CTE /(10-6 K-1)
6.7 4.5
23 17 5.0 4.4
5.9
0.4
热导率/ 135 39 20 250 280 230 400 140 174 17
兼顾高硅的低膨胀性 与低硅的良好焊接性
宏观有界限， 微观无界线
双面 梯度 试样
a)
b)
c)
d)
e)
30%Si
界面
40%Si
界面
Ø 随着梯度成分变化，在金相组织中，硅相含量逐渐增加
50%Si
边缘部位 27Si
中间部位 50Si
梯度盖板（平面梯度），可以解决盖板上焊装 元器件的需要，同时又保持良好的封焊性能
Cu/invar/Cu Cu/Mo/Cu
5.2
6.8
180--210 160--190 160
244
密度/ (g·cm Hale Waihona Puke Baidu3)
15.6
9.9
8.4
9.7
加工性能
可
可
可
可
第一代封装材料
Al-SiC
7--17 145
Al-Si
7—17 140--210
2.97
2.4—2.6
差
优
第二代封装材料
第三代封装材料
电子封装壳体与光学框架材料的典型需求
热膨胀匹配 机械稳定性 机械强度 各向同性 低密度 导热性好 机加性能好 可电镀性 可焊接性 真空密封性
高硅铝合金综合性能最优
综上所述，高硅铝合金作为第三代组件级的封装材料， 具有最好的综合优势。
与同为第三代组件级封装材料的碳化硅/铝相比,高硅 铝合金具有易于加工成型、良好的焊接和镀涂性能。而碳 化硅/铝材料在加工具有复杂结构的型腔时，几乎是不可能 完成的。