新型高硅铝合金电子封装复合材料的研究进展

金属喷射沉积是一种新型的快速凝固技术 , 主 要特点 : ①具有细小的等轴晶显微组织 ②生产工序 简单 ③固溶度增大 , 氧化程度减小 ④较高的致密度 ⑤较高的喷射沉积效率 。但方法存在工艺参数复 杂 , 成本较高 , 制备的半成品孔隙率较大 , 需要进 行二次加工的缺点 。
O sp rey公司生产的 A l - Si系列合金随着 Si含 量的变化 , A l - Si合金的热膨胀系数和热导率在一 定范围内连续可调 , 大幅度拓展了 A l - Si合金的 应用面 , 满足了电子封装业的需求 。其部分产品 (CE合金系列 )的牌号和性能见表 3[ 12 ] 。
关键词 : A l - Si; 合金 ; 复合材料 ; 电子封装 ; 热导率 ; 热膨胀系数
中图分类号 : TG146, TG13 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 4898 (2007) 06 - 0010 - 04
自 1958 年世界上第一块集成电路问世以来 , 微电子技术的核心及代表 ———集成电路 ( IC)技术 经历了飞速的发展 。在微电子集成电路以及大功率 整流器件中 , 因材料之间热膨胀系数的不匹配而引 起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳成为 微电子电路和器件的主要失效形式 。30%左右的芯 片计算能力受到封装材料的限制 , 解决该问题的重 要手段就是进行合理的封装 。此时封装对系统性能 的影响已经变得与芯片同样的重要 [ 1 ] 。
日本住友电器公司用该法生产的 A l - 40Si材 料的性能为 CTE 在 25℃时为 1310 ×10 - 6 / K, TE 为 126W /m·K, 密度为 2153g / cm3[ 7 ] 。蔡杨等人的 研究表明 : 一定配比的粉末 、大压制压力 、较高的 烧结温度 、较长的烧结时间有利于获得内部组分分 布均匀 、空隙率低 、导热性能良好的复合材料 [ 8 ] 。 杨培勇等人研究表明在低温液相烧结时 , 压制压力 是烧结体致密度的控制因素 , 高温时颗粒重排和润 湿过程成为控制烧结体致密度的主要因素 [ 9 ] 。冯 曦等人的研究表明 : 增大压制压力可以导致 A l - Si 体系的适度润湿反应过程 , 可有效提高材料的热导 性 [ 10 ] 。 214 真空热压法
表 3 部分产品的牌号和性能
性能 合金牌号
成分 热膨胀系数 10 - 6 / K 热导率 /W·m - 1·K- 1
密度 / g·cm - 3 极限抗拉强度 /M Pa
抗弯强度 /M Pa
Si CE7 A l - 70Si 714 120 2142 100 143
Al CE9 A l - 60Si 910 12914 2146 134 140
冯曦等人的研究表明 : 在热压压力作用下液相 可流动并封添内部的孔隙 , 有利于复合材料的致密 化 , 有利于提高材料的热导率 。在较高的热压压力
·11·
《铝加工 》 2007年第 6期总第 178期 学术综论
条件下可以获得近乎完全致密的组织 , A l - Si界面 呈现良好的润湿性结合 , 热导性能提高 [ 11 ] 。 215 喷射沉积法
·12·
M g, Fe, N i, M n等 , 其中 Cu, M g的主要作用是 通过析出强化提高合金的室温强度 , 而加入 Fe, N i, M n是为了改善合金的热稳定性 , 提高高温强 度 [ 16 ] 。
王锋分析了不同 M n含量对 A l - Si合金组织演 变的影响 , 结果表明 : 当合金中加入 3% M n 时 , 组织中针状的 A l - Si - Fe金属间化合物被颗粒状 的 A ll5 ( FeM n) 3 Si2所代替 。在 A l - Si合金中加入 一定数量的 Cu, M g元素后 , 合金经过喷射沉积快 速凝固和后续的时效处理 , 在合金基体中析出了时 效强化相 , 合金在常温和高温下的屈服强度和抗拉 强度有大幅度的提高 [ 17 ] 。袁晓光研究表明 : A l Si合金中 Fe形成耐热的金属间化合物 , 抑制 Si相 的粗化 , 阻止位错的滑移和亚结构的消失以及晶界 迁移 , 从而提高合金的室温和高温性能 [ 18 ] 。
C1W 1Chien等用该法成功地制备了 A l - 60Si 复合材料 。材料的 CTE约为 8. 4 ×10 - 6 / K, 密度 为 214g / cm3[ 4 ] 。陈玉勇等通过这种方法获得性能 优异的复合材料 , 材料的 CTE为 712 ×10 - 6 / K, 压 缩强度为 580 M Pa, 抗拉强度为 160 M Pa, 维氏硬 度大于 390[ 5 ] 。 212 无压浸渗法
表 2 硅和铝的主要性能
性能 密度 / g·cm - 3 杨氏模量 G / Pa 比热容 /J ( kg﹒ k) - 1 热膨胀系数 /10 - 6 ·K- 1 热导率 /W·m - 1·K- 1
Si 2. 3 112. 4 0. 713 4. 1 148
Al 2. 7
69 0. 905
23 237
的 A l - Si复合材料 。工艺为 : 将含有镁的铝合金 基体放入事先制备好的硅颗粒预制件上 , 然后放入 刚玉坩埚中 , 通入含有 N2的可控气体 , 加热直到 合金熔化自发渗入到预制件中 , 最后获得了 A l 60Si复合材料 [ 6 ] 。 213 粉末冶金法
粉末冶金法的主要工艺是使一定比例的铝粉和 硅粉以及粘合剂均匀分散 , 通过干压 、注射等方法 使粉末混合成型 , 最后在保护气氛下烧结形成较为 致密的材料 。该法解决了硅颗粒与铝基体润湿性不 好 , 硅颗粒难以加入熔体的问题 , 并且材料可以一 次成形 , 少切削加工 , 克服了金属基复合材料难以 加工的缺点 。但是这种方法工艺复杂 , 粉末容易氧 化 , 压型不致密 , 而且硅的含量不能太高 , 一般认 为要小于 50%。
表 1 常用电子封装材料及主要性能指标 [3 ]
材料
ρ / g·m - 3
CTE
TE
/10 - 6 ·K- 1 /W (m ﹒K) - 1
Si
213
411
150
GaA s
513
518
39
B eO
219
617 - 8
250
A IN
3126
315
70～260
Mo
1012
510
140
W
1913
415
174
田冲等人采用该法制备了组织均匀的 70Si A l合 金 , 材 料 的 CTE 为 7 ～ 8 ×10 - 6 / K, TE﹥ 100W /m·K, 密 度 2146g / cm3 , 机 械 加 工 性 能 良 好 [ 13 ] 。魏衍广等人研究了沉积态合金的显微组织
及其随温度变化的规律 , 恰当的 70Si30A l合金热 加工变形温度为 560℃～590℃[ 14 ] 。王磊等人用该 法制备 70Si30A I合金经过热压后 , 材料的 CTE为 7～9 ×10 - 6 K- 1 , TE 为 120W ﹒m - 1﹒K- 1 , 抗弯强 度达 180M Pa[ 15 ] 。
收稿日期 : 2007 - 09 - 26 作者简介 : 徐高磊 (1982～) , 男 , 河南舞阳人 , 在读硕士研究生 , 从事新材料研究与开发 。
·10·
徐高磊 , 等 : 新型高硅铝合金电子封装复合材料的研究进展 学术综论
望成为一种应用前景广阔的电子封装材料 , 特别是 在航天航空 、空间技术和便携式电子器件等高技术 领域 。
理想的电子封装材料必须满足以下几个基本的 要求 [ 2 ] : ①热膨胀系数 ( CTE )小 , ②高的导热率 ( TE) , ③轻量化 , ④其他的封装工艺性能 。此外 封装材料还应该具备合理的刚度 , 易加工 , 易电 镀 , 易焊接等特性 。材料工作者对此进行了大量研 究 , 并取得一定成果 。
4 高硅铝合金复合材料的应用与展望
新型 A l - Si电子封装材料的主要应用为 [ 2 ] : ①大功率集成电路封装 : 新型 A l - Si封装材料提 供有效的散热和动力装置所要求的热膨胀匹配 ; ② 载波器 : 新型材料可以作为局部散热部件 , 使元器 件更紧密地排列 ; ③电子光学框架 : 新型材料提供 低 CTE、高刚度和可加工性 ; ④热沉件 : 新型材料 提供有效的散热和结构支撑 。
1 电子封装材料研究和应用概况
表 1中列出了芯片材料 GaA s、 Si以及一些常 用电子封装材料相关的主要性能 , 从表中可知 , 这 些传统的封装材料都存在着一些缺点 , 以至于无法 满足现代电子封装要求 。
近年来 , 许多研究人员都致力于研究和开发新 的电子封装材料 , 新型的高硅铝合金电子封装复合
《铝加工 》 2007年第 6期总第 178期 学术综论
新型高硅铝合金电子封装复合材料的研究进展
徐高磊 , 李明茂
(江西理工大学 江西 赣州 341000)
摘要 : 微电子集成技术的快速发展对封装材料提出了更高的要求 。具有低膨胀系数 、轻质化 、较高导热率的新 型 A l - Si复合材料受到了广泛的重视 。文章详细介绍了高硅铝合金电子封装材料的性能特点 、制备方法以及研 究现状 , 指出了高硅铝合金电子封装材料的发展方向 。
真空热压法是指加压成型和加压烧结同时进行 的一种烧结工艺 , 其优点是 : ①粉末容易塑性流动 和致密化 ; ②烧结温度和烧结时间短 ; ③致密度 高 。一般工艺为 : 在真空条件下 , 将粉末装在模腔 内 , 在加压的同时使粉末加热 , 经过较短时间的加 压形成致密均匀的材料 。与传统的粉末冶金相比 , 真空热压法最大的不同 , 在于热压法是在一定真空 条件和温度下对粉末进行压制 , 随着压制温度的升 高 , 粉体的加工硬化速率降低 , 提高了粉末的塑性 变形能力 。
2 高硅铝合金复合材料的制备方法
高硅铝合金复合材料制备方法主要有以下几 种 : ①加压浸渗法 ; ②无压浸渗法 ; ③粉末冶金 法 ; ④真空热压法 ; ⑤喷射沉积法 。结合目前研究 的情况表明 : 高硅铝合金复合材料的封装性能主要 取决于其组织结构的致密性和均匀性 , 选择合适的 制备方法是十分重要的 。 211 加压浸渗法