金属基电子封装复合材料的研究进展
金属基复合材料发展和应用前景

金属基复合材料的发展现状与应用前景金属基复合材料( M MCs) 问世至今已有30 余年。
M MCs 的耐温性较高, 力学性能( 特别是刚度) 比一般金属的好, 此外它还具有导电性以及在高真空条件下不释放小分子的特点, 克服了树脂基复合材料在航宇领域中使用时存在的缺点, 因此受到航空航天部门的青睐。
然而, 尽管MM Cs 在航天飞机以及其他一些尖端技术中已经获得应用, 但用量很小, 不足以推动其发展。
近年来虽然努力在民用领域寻找机遇, 但终因成本偏高而缺乏与金属等其他传统材料竞争的优势。
因此发展MM Cs 的出路在于寻找降低成本的措施, 同时也要探索能充分发挥其特色的应用领域。
鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60% ~ 70% , 所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急。
1、金属基复合材料制备技术1.1各种制备方法简评MMCs 通常按增强体的形式分类, 如连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及片层叠合等。
由于连续纤维增强的MM Cs 必须先制成复合丝或复合片等先驱体, 工艺复杂而成本高, 因此除了极少量有特殊要求的零件(如航天飞机的结构梁)采用外,目前尚看不到有扩大应用的可能性。
本文着重叙述的是颗粒、短纤维或晶须等非连续增强体的MM Cs, 其中, 颗粒增强的M MCs 已具备批量生产条件, 有良好的发展前景。
迄今, 已开发出不少非连续增强体MMCs的制备方法,见表1在表 1 列出的各种制备方法中, 搅拌混合法和挤压铸造法比较成熟,已具备批量生产的条件。
对搅拌混合法工艺已完成了大量研究工作,其中包括对增强体进行表面处理,以改善其与基体金属的浸润性;调整基体合金元素以减轻界面反应对MMCs性能的影响;在设备方面则改进了搅拌桨的形式以改善增强体分布的均匀性,此外,研究了增强体的加入机构,为降低气孔率还制作了施加负压的装置;在工艺条件上则研究了搅拌速度和金属熔体温度对混合均匀度和产生气泡的影响。
高性能金属基复合材料迎来发展新机遇

金属基复合材料研发的机构数量较 强大的产业竞争力。中国、美国高性
多,包括北京科技大学、哈尔滨工业 能金属基复材企业多为军工服务,在
大学、国防科技大学、中南大学、北方 成本控制上处于劣势,在民用领域的
工业大学和上海交通大学等高校,北 发展上还存在一定的瓶颈。
金属基复合材料制备方法
固态法
液态法
气态法
粉末冶金法
放电等离子烧结法 喷射沉积法 (固液两相)
搅拌鋳造法 压力浸渗法(真空 压力浸渗、自排气
压力浸渗)
真空吸铸法
气相沉积法(化 学气相沉积、物 理气相沉积)
图 3 金属基复合材料制备方法
其他先进技术
原位合成法 增材制造 搅拌摩擦焊
升,高性能金属基复合材料及器件的 (Advanced Composite)和联合材
1 性能优势显著,金属基复材 助力新一代热管理方案
金属基复合材料(Metal Matrix C o m p o s i t e s,M M C)是以金属为基 体,无机非金属的纤维、晶须、颗粒或 纳 米 颗 粒 等 为 增 强 体,经 复 合 而 成 的 新 材 料。根 据 基 体 材 料 不 同,金 属
铝、铜、镁 因 其 相 对 较 高 的 热 导 率、较低的密度以及优异的加工性,目 前已经成为热管理用金属基复材的 主流基体(如图 1)。其中,Al/S i C、镁 (M g)/ S i C体 系 具 有 密 度 低、热 导 率 高、热 膨 胀 系 数 可 调 等 优 势,在 航 空航天和电子封装领域已有成熟应 用 ;铝石墨(Al/Gr)、铜石墨(Cu/Gr) 体 系 除 具 有 密 度 低、热 导 率 高、热 膨 胀 系 数 可 调 等 优 势 外,还 具 有 成 本 低、易 加 工 的 显 著 优 势,更 具 产 业 化 潜力 ;铝金刚石(A l / D i a)、铜金刚石 (Cu/Dia)体系具有最高的热导率〔> 700W /(m·K)〕,在一些高附加值产 业领域如雷达TR组件、功率半导体器 件上有望大面积推广。
金属封装材料的现状及发展

金属封装是采用金属作为壳体或底座,芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上,引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃—金属封接技术的一种电子封装形式。
它广泛用于混合电路的封装,主要是军用和定制的专用气密封装,在许多领域,尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。
金属封装形式多样、加工灵活,可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融合为一体,适合于低I/O数的单芯片和多芯片的用途,也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件,可以满足小批量、高可靠性的要求。
此外,为解决封装的散热问题,各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。
本文主要介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料,这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料,也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。
1 传统金属封装材料及其局限性芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之间。
金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护,应具备以下的要求:①与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数,减少或避免热应力的产生;②非常好的导热性,提供热耗散;③非常好的导电性,减少传输延迟;④良好的EMI/RFI屏蔽能力;⑤较低的密度,足够的强度和硬度,良好的加工或成形性能;⑥可镀覆性、可焊性和耐蚀性,以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护;⑦较低的成本。
传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu/W和Cu/Mo等,它们的主要性能如表1所示。
1.1 铜、铝纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC),电阻率1.72μΩ·cm,仅次于银。
它的热导率为401W(m-1K-1),从传热的角度看,作为封装壳体是非常理想的,可以使用在需要高热导和/或高电导的封装里,然而,它的CTE高达16.5×10-6K-1,可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。
电子封装用金属基复合材料的研究进展

U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 P R C)
第3 1卷 第 4期 2 0 1 3年 8月
江
西
科 ห้องสมุดไป่ตู้
学
Vo 1 . 31 No . 4 Au g . 2 01 3
CI ENC E J I ANGXI S
文章编号 : 1 0 0 1 —3 6 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4— 0 5 0 1 — 0 7
电子 封 装 用 金 属 基 复合 材 料 的研究 进 展
芯 片集 成度 越来越 高 , 功率越 来 越大 , 对封 装材 料 的散 热要 求 也越 来 越 高 ¨ J 。同时 , 封 装 材 料 热
c hi p i n t e g r a t i o n, d e v i c e s c o o l i n g h a s be c o me a k e y f a c t o r o f r e s t r i c t i n g i t s d e v e l o p me n t . Th e de v e l o p— me n t o f p a c k a g i ng ma t e r i a l s u n d e r t a k i n g t h e t a s k o f c o o l i n g we r e r e v i e we d i n t h i s pa p e r, a n d e s p e — c i ll a y, t h e me t a l ma t ix r c o mp o s i t e ma t e r i a l s d e v e l o p e d t o me e t t h e t h e r ma l r e q ui r e me n t s o f h i g h — p o w—
高性能金属基复合材料研究进展

高性能金属基复合材料研究进展
董海涛;李登辉;翟振杰;孙长飞;王喆;陈聪
【期刊名称】《青海科技》
【年(卷),期】2024(31)1
【摘要】金属材料因其具备优良的可加工性、导电性、导热性、耐磨耐腐蚀性能,被广泛地应用于医疗、航空、军事等领域,所以研究高性能的金属基复合材料成为复合材料学科的一大热点。
目前高性能金属基复合材料的理论制备方法较多,但可用于工业化生产技术方案却相对较少;对单一增强相的研究颇多,多相强化基体的研究较少,这两类矛盾问题突出。
文章通过综述金属基复合材料的常用制备方法及其常用增强相的种类与效果,以及对多相强化、稀土调控展开分析,以期为实验探索提供理论依据。
【总页数】6页(P94-99)
【作者】董海涛;李登辉;翟振杰;孙长飞;王喆;陈聪
【作者单位】青海民族大学物理与电子信息工程学院;亚洲硅业(青海)股份有限公司;青海民族大学双碳研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TB33
【相关文献】
1.新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究
2.喷雾共沉法制备高性能金属基复合材料的新思路
3.高性能金属基复合材料迎来发展新机遇
4.高性能纤维增强树脂
基复合材料湿热老化研究进展5.高性能碳基与过渡金属化合物基超级电容器电极材料的研究进展(英文)
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
金属基复合材料的发展趋势

金属基复合材料的发展趋势金属基复合材料是一种将金属基体与其他增强材料(如纤维、颗粒等)组合在一起制成的新型材料。
它具有金属材料的优良性能,如高强度、高刚度、耐磨性等,并且能够通过引入增强材料来改善其综合性能。
随着工业技术的发展和应用的不断扩大,金属基复合材料的发展趋势主要表现在以下几个方面:1. 材料的多元化发展:金属基复合材料不仅可以使用不同种类的金属作为基体材料,还可以结合多种不同类型的增强材料,如纤维、颗粒等。
随着技术的进步,人们对于材料的性能要求越来越高,因此金属基复合材料的开发可望得到更大的关注和广泛的应用。
未来,金属基复合材料将进一步向高性能、高温、高强度等方向发展。
2. 制备工艺的改进:金属基复合材料的制备工艺对其性能起着重要的影响。
未来,人们将继续改进金属基复合材料的制备工艺,以提高材料的可塑性、成型性和耐高温性能。
例如,采用先进的热处理工艺、粉末冶金、熔融铸造等方法将有助于制备出更加优质的金属基复合材料。
3. 结构设计的优化:金属基复合材料的性能不仅与材料本身的性能有关,还与其结构设计密切相关。
通过合理的结构设计,可以优化材料的机械性能、热性能和耐腐蚀性能。
未来,人们将通过模拟分析和先进的设计方法,针对不同应用领域开发出更加优化的金属基复合材料结构。
4. 新型增强材料的研究:金属基复合材料在增强材料的选择上有很大的灵活性。
未来,人们将继续寻找新型的增强材料,并研究其与金属基体的相容性和增强效果。
例如,纳米材料、陶瓷颗粒等新型增强材料的引入,将进一步提高金属基复合材料的性能。
5. 应用领域的扩大:金属基复合材料由于其优异的性能,在航空航天、汽车制造、机械制造等领域得到了广泛应用。
未来,随着技术的发展和应用需求的不断增加,金属基复合材料将在更多领域得到应用。
尤其是在新能源、环保、生物医学等领域,金属基复合材料的应用前景将更加广阔。
总之,随着工业技术的不断发展,金属基复合材料将继续取得重大进展。
集成电路用金属铜基引线框架和电子封装材料研究进展

关 键 词
引线框 架 电子封 装
铜 基合金
复 合材 料
A dv nc s i a e n Co ppe — a r x M a e i lf r Le df a e a r m t i t r a o a r m nd
El c r n c Pa k g n f I t g a e r u t y( C) e t o i c a i g o n e r t d Ci c ir I
to i nal t ar c ers i s, es t t , he ch a t i tc pr ents a us, plc ton p os c nd e s i obl m s oft adii ap i a i r pe t a xi tng pr e r tona nd ne c per m a la w op —
( 安 理工 大 学材 料科 学 与工 程 学院 , 安 7 04 ) 西 西 1 0 8
摘要
发展 趋 势 。
针 对 集 成 电路 向 高 密 度 、 型 化 、 小 多功 能 化 发 展 , 绍 了 国 内外 传 统 的 和 以 铜 为 基 复 合 新 型 的 引 线 框 架 介
和 电 子 封 装 材 料 的 性 能 、 究 、 产 现 状 以 及 存 在 的 问 题 。 同 时 展 望 了铜 合 金 及 其 复 合 的 引 线 框 架 和 电 子封 装 材 料 的 研 生
2 新 型 金属 铜 基 引 线框 架 和 电子 封 装 材料
Abs r c ta t
I ih ft e fc h ti tg a e ic is ( C)a eg o n e s r s alra d mo em ut—u c n l to h a tt a n e r t d cru t I g r r wi g d n e ,m le n r lif n —
高导热金属基复合材料的制备与研究进展

高导热金属基复合材料的制备与研究进展摘要:随着电子器件芯片功率的不断提高,对散热材料的热物理性能提出了更高的要求。
将高导热、低膨胀的增强相和高导热的金属进行复合得到的金属基复合材料,能够兼顾高的热导率和可调控的热膨胀系数,是理想的散热材料。
本文对以 Si、 SiCp、金刚石、鳞片石墨为增强相的铜基及铝基复合材料的研究进展进行了总结,并就金属基复合材料目前存在的问题及未来的研究方向进行了展望。
关键词:制备;研究进展;金属复合材料提升相和基体原材料的润滑性对复合材料的热性能有很大影响。
除此之外,基体中加强相的趋向和分布、复合材料的相组成和微观结构也会影响到原材料的导热系数。
为了防止复合材料中加强相分别不匀、趋向不匀等问题造成导热系数降低,在挑选复合材料制备方式时,应充分考虑各种方法的优缺点,并完善相关工艺指标,就可以获得导热系数最理想的金属基复合材料。
现阶段,铜基和铝基复合材料的制备技术大概可以分为固相法和液相法两类。
固相法有热压烧结法、高温高压烧结法和等离子放电烧结法等,液相法有搅拌铸造法和熔渗法等。
一、热压烧结法热压是制备复合材料传统的方式,主要加工工艺是将基体与加强相粉末混合匀称,然后放入磨具中增加工作压力,除气后升温至固相线环境温度下,在空气、真空泵及保护气中致密化,产生复合材料。
热压烧结法是金属基复合材料的重要制备方式,此方法的优势是生产出的复合金属质量稳定,加强相和金属粉占比可调。
可是,缺陷非常明显,烧结必须使用磨具,无法制备外观繁杂、尺寸大的金属基复合材料,且工艺成本高。
Goryuk 研发了电子元件基材使用于SiC/Al复合材料的压合工艺流程之中,通过隔热保温时间与压力对SiC/Al复合材料相对密度和导热系数产生的影响。
通过Goryuk的研究最佳的制备参数为:烧结环境温度700摄氏度、烧结工作压力20 MPa、隔热保温时长1 h、保护气为N2。
选用该加工工艺所得到的复合材料导热系数为240 W m-1K-1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
业化生产 。 目前处于研究之中的有 AlN 、Si3N4 、B4C 、 TiB2 、金刚石增强 A l 、Cu 金属基复合材料[ 11] 。碳纤
维性能优越但其各向异性严重 , 当与 Al 、Cu 复合时 ,
界面结合很差 , 相容性差 , 同时价格也比较贵 。 目前
已经投入商业化大规模生产的是 SiCp/ Al 复合材料 , 主要是 SiCp 具有较低的 C T E 、较高的导热系数 、材料
材料已成为金属基复合材料今后重点发展的方向之一 。本文阐述了金属基体 、增强体及其体积分数 、制备工
艺对复合材料热性能的影响 。
关键词 :电子封装 ;金属基复合材料 ;热性能
中图分类号 :TU599 文献标识码 :A 文章编号 :0254-6051(2003)06-0001-05
Review of Metal-Matrix Composite Materials for Electronic Packaging
作者简介 :聂存珠(1978—), 男 , 内蒙古包头人 , 在 读硕士研究 生 , 主 要 从 事 金 属 基 复 合 材 料 的 研 究 。 联 系 电 话 :02227401914, E-mail :niecunzhu@ ;niecunzhu @ 基金项目 :教育部回国人员基金项目 收稿日期 :2002-12-12
ceramic or o ther materials to t he metal-matrix.This paper review s the inf luence of metal-matrix , reinforcement
and processing methods on t hermal properties of composite m aterials.
复合材料具有高的热物理性能 、良好的封装性能 , 它 量生产用作系统的热沉 。 BeOp/Al 近年来也用作商
具有以下特 点 :①通过 改变增 强体 的种类 、体积 分 数 、排列方式或者通过改变复合材料的热处理工艺 , 可以制备出不同 CT E 匹配的封装材 料 。 ②复 合材 料的 C TE 较低 , 可以与电子器件材料 的 C TE 相匹 配 , 同时具有高的导热性能 , 较低的密度 。 ③材料的 制备工艺成熟 , 净成型工艺的出现 , 减少了复合材料 的后续加工 , 使生产成本不断降低 。 3.1 基体材料的选择
als.T he t raditional metal packaging materials can no t meet t he needs of the development of packaging technolo-
gy.It is urgently t o develop metal-matrix composites for packagi ng materials by means of adding t he lower CT E
基复合材料)、CM C(陶瓷基复合材料)、CCCs(碳/ 碳
复合材料)。1992 年 4 月在美国举办的新材料与电
子封装专题讨论 会上 , 一致认为金属基复 合材料最
硼纤维
SiC 纤维(N L200) T ho r nelP-120 SiCp A l2O3p
Be Op
AlN p
Si3N 4p B4Cp T iB2p SiO 2p T iCp 金刚石 S iC 晶须
特性的复合材料 。W/ Cu 及 Mo/ Cu 已经成功地用作 大功率微波管 、大功率激光二极管和一些大功率集
3.2 增强体的选择
成电路模块的热沉 。 上述复合材料也存在着一些缺
增强体应具有较低的 C TE 、高的导热系数 、良好 点 :Cu-Mo 和 Cu-W 之间不相溶或润湿性极差 , 况且 的化学稳定性 、较低的成本 , 同时增强体应该与金属 二者的熔点相差很大 , 给材料制备带来了一些问题 ;
NIE Cun-zhu , ZHAO Nai-qin
(School of M aterials Science and Eng ineering , T ianjin Universi ty , Tianjin 300072 , China)
Abstract :T he rapid development of IC and packaging technology has led t o search for new packag ing materi-
材料
热膨胀系数(CT E)/ (×10 -6K -1)
导热系数(T C)/ W·(m·K)-1
密度/ g·cm -3
增强体
热膨胀系数(CTE)/ 导热系数(TC)/ 密度/
(×10 -6K -1)
W·(m·K)-1 g·cm -3
Si
4.10
150
2.3
G aA s
5.80
39
5.3
Al2O 3 BeO
胀系数的碳化物 、氧化物以及硼化物 。 如 SiC 、AlN 、 化学活化烧结 。 在 W/ Cu 及 M o/ Cu 合金中添加 Fe 、 A l2O 3 、BeO 、Si3N 4 、B4C 、TiB2 、SiO 2 等 。 ③晶须 :研究 Co 、Ni 等微量金属元素用来促进烧结 。 但值得注意
6.50 6.70
20
3.9
250
2.9
AlN
4.50
250
3.3
Al
23.00
230
2.7
Cu
17.00
400
8.9
Mo
5.00
140
10.2
W
4.45
168
19.3
Ko v ar
5.90
17ห้องสมุดไป่ตู้
8.3
I nv ar
1.60
10
Zw eben[ 9] 提出 , 今后电子封装复合材 料主要向
四个方向发展 :MMC(金属基复合材料)、PMC(树脂
材料研究
金属基电子封装复合材料的研究进展
聂存珠 , 赵乃勤(天津大学 材料学院 , 天津 300072)
摘要 :集成电路和芯片的封装技术的快速发展对封装材料提出了更高的要求 。 由于传统的金属封装材料不能
满足现代封装技术的发展需要 , 向金属基体内添加低热膨胀系数的陶瓷或其它物质制成金属基电子封装复合
Key words:electronic packaging ;metal-matrix composi te materials ;thermal properties
1 引言
展也使得单位面积内芯片的密 度增大 , 从而造成系
1958 年第一块半导体集成电路问世以来 , 微电子的 统发热量增大 。 这时开发 和研制新的低膨胀系数 、
来源广泛的特点而备受关注 。 3.3 铜基电子封装复合材料
铜基复合材料被广泛地应用于热沉材料及电触 头 材 料[ 12 ~ 14] 。 Cu 的 导 热 系 数 很 高 , 达 到 400W·(m·K)-1 , 但其 CT E 也 很 高 (约 17 ×10-6 K -1)。 为了降低其 CT E , 可以将铜与 CT E 数值较小 的物质如 Mo(CT E 值约为 5.2 ×10-6 K -1)、W(CT E 值约为 4.5 ×10-6 K -1)等 复合 , 得到具有高的导电 导热性能 , 同时融合了 W 、M o 的低膨胀系数 、高硬度
随着集成度的增加 , 单位芯片尺寸产生的 热量 也急剧增加 , 每块芯片上的发热量将高达 10W 以上 。 如何及时有效地 散热 , 使芯片能在允许的 工作温度 下正常工作十分重要 , 例如开发新的封装技术 MCM (多芯片组件)[ 1, 3] 、SM T(表面贴装技术)、CO B(板上 芯片技术)、BGA (球形触点阵列)[ 4] 、T AB(带式自动 键合)[ 5] 、3-D 封装[ 5, 6] 等 , 以研究新的与芯片或者基 片材料的热膨胀系数(以下简称 CT E)能很好匹配的 封装材料或使用散热装置或冷却系统 。而散热装置 和冷却系统增加 了系统的成本以及体积 , 不能满足 系统结构向轻型化 、小型化方向发展 ;封装技术的发
核心代表 ———集成电路(IC)技术的发展经历了 5 个时 高导热系数的封装材料成为必然 。
代, 即小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规 2 传统的电子封装材料
模(VLSI)和巨大规模(ULSI)时代 。根据摩尔定律 , 集 成电路产品每 18 个月将更新换代一次 , 即每 3 年推出 新一代的 DRAM(动态随机存储器), 以兆位级 DRAM 为代表的集成电路工业 , 使半导体的生产进入高集成 度、高自动化的规模生产阶段[ 1, 2]
为了得到低 CT E 、高热导率的电子封装复合材
料 , 目前研究的比较多的是 Cf/A l 、SiCp/ A l 、SiCp/ Cu 、
B/Al 、BeO/ Al 、BeO/Cu 、BeO/ Be 等复 合材料 。 其中
重要的发展方向是用作电子封装材料[ 10] 。而金属基 Cf/A l 、SiCp/A l 、Bf/ Al 已经可以成批生产 。B/A l 小批
金属基复合材料的基体通常选择 Al 、M g 、Cu 或 者是它们的合金 。 这些纯金属或者合金具备良好的 导热导电性能 , 良好的可加工性能及焊接性能 , 同时 它们的密度也很低(如铝和镁)。基体与增强体的相 容性也是一个重点要考虑的因素 。 在复合材料的制 备过程中 , 基体金属应选择能够促进增强 体与基体 相互润湿的合金 成分 , 或者考虑加入一些 有利于形 成合适的稳定界 面结合层的其他金属元素 , 从而改 善复合材料的热性能 。
《 金属热处理》2003 年第 28 卷第 6 期
1
表 1 常用封装材料的性能指标[ 7 , 8] Table l Property data of electronic packaging materials