SiCAl电子封装材料制备工艺研究进展

SiCAl 电子封装材料制备工艺研究进展
谢斌，王晓刚
（西安科技大学 材料科学与工程学院 陕西省硅镁产业节能与多联产工程技术研究中心，陕西 西安 710054）
摘 要 介绍 SiCAl 复合材料，综述了国内外 SiCAl 电子封装材料及构件所涉及的无压浸渗，粉末注射成型，共喷射沉积
等多种制备工艺；并分析各种方法的优缺点，指出 SiCAl 制备方法的发展趋势。
出气腔口 Al 合金熔液
出气腔口 Si 预制体 SiCAl 复合材料
高压气体入口
图 3 气压浸渗实验装备简图 Fig.3 Equipment of gas infiltration
压力方向
Al 合金熔体
上模 炉体构件
加热体
SiC 预制体 底座
底模
图 4 挤压铸造实验装备简图
Fig.4 Equipment of squeeze casting
等 对 ［19］ 无压浸渗工艺做了相当多的研究，制备出 SiC 体积分数为 60%、密度为 2.94 g/cm3、弹性模量为 220 GPa、热导率为 180 W（/ m·K）、热膨胀系数为 8.0×10-6 K-1 的复合材料。 2.2 压力浸渗
压力浸渗制备 SiCAl 复合材料分为气压浸渗和挤 压浸渗。气压浸渗（GPI）是将预制件、成形模具和铝 合金置于真空容器中加热，待 Al 合金熔化后向容器中 充入高压惰性气体，铝合金液体在气体压力作用下浸 渗到预制件中形成复合材料或构件（图 3）［20］。该工艺 中预成型坯的预热温度，铝合金液的渗入温度、压力 大小、冷却速度是制备过程的关键工艺参数［21］。气压 浸渗的主要特点在于：1）存在于合金熔液中的气体在 底部压力的作用下受到抑制来不及释放而保持一种 溶解状态，从而避免了铸件中存在气孔；2）合适的浸 渗速率和热迁移速率在高压下为定向结晶提供了可 能性。K. Chu，X.M.Zhu 等分别采用气压浸渗制备出颗 粒分布均匀的复合材料［22-23］。
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兵器材料科学与工程
第 36 卷
为 8.0×10-6 K-1、材料热导率为 155 W（/ m·K）的 SiCAl 材料。
压力浸渗法制备复合材料工艺难度相对较大，主 要是对预成型坯强度要求高，预制体在压渗过程中易 发生坍塌；其次还需要高压设备及密封良好的耐高压 模具，因此生产费用较高，在生产形状复杂的零件，特 别是小的薄壁电子封装构件方面限制很大。
图 5 为 Sajjad Amirkhanlou 等制备 SiCp/Al 复合材 料的注射成型设备。其制备过程是：将 Al 合金加热到 700 ℃，然后以 500 r/m 的转速对熔融 Al 合金液进行搅 拌，再以 Ar 气为运载气体，将 SiC 粉体注入熔液中，完 成后将复合浆料持续冷却到 650 ℃，最后将复合浆料 浇铸到模具当中［28］。X.H.Qu 等 通 ［29］ 过 PIM 技术制备 出体积分数为 58%~70%，TC 为 170~220 W（/ m·K），平 均 CTE 为 7.0×10-6 K-1（25~100 °C）的复合材料。
图 2 TTC 公司生产的 SiCAl 散热元件及相应的 SEM 照片 Fig.2 SiCAl heat sinks and the relevant SEM photo of TTC
company
术是 SiC 颗粒的表面处理［13- 。 14］ TTC 公司对 SiCp 表面 进行特殊处理后，在无压条件下使 Al 合金熔液与 SiCp 能够完全润湿，经过搅拌后 SiCp能够非常均匀分散并 得到浸渗，制备成 SiCp/Al 复合料浆，最后将制成的 SiCp/Al 料浆浇铸到模具中，得到 SiCAl 复合材料［15］，图 1b 为具体的制备流程简图。图 2 为 TTC 公司生产的 SiCAl 散热元件及 SiCAl 材料的 SEM 图［11，16］。TTC 公司 对无压浸渗技术的成功开发，说明无压浸渗工艺在原 理及实际应用中具有很大可行性，完全可以实现工业 化 。 国 内 外 在 这 一 方 面 目 前 存 在 的 主 要 问 题 是 ：1） SiCp的表面处理研究不够深入；2）SiCp体积分数难以精 确控制；3）近净成形工艺需进一步完善；4）渗透的均 匀性还需提高［17-18］。无压浸渍工艺虽有多方面的局限 性，但该方法尤其是空气气氛下的无压渗透法具有成 本低廉、工艺简单等优势，是目前可以低成本实现工 业规模制备高体积分数 SiCAl 复合材料的方法。崔岩
关键词 SiCAl 复合材料；无压浸渗；复合料浆；注射成型；综述
中图分类号 TB331
文献标志码 Ａ
文章编号 1004-244X（2013）05-0116-04
Progress in preparation of SiCAl electronic packaging composites
XIE Bin，WANG Xiaogang
SiCAl 材料成型工艺作为材料及复杂部件制备的 关键技术，在材料的制备过程中起承上启下的作用， 是限制其走向产业化的主要问题［6-8］。SiCAl 复合材料 的制备方法有多种，但稳定成熟可得到实际应用的在 国内还鲜有报道，所以寻求 SiCAl 材料可规模化生产 并面向市场的制备技术有着重大的学术意义。
1 制备工艺概述
有关 SiCAl 的制备工艺国内外有较多的文献阐 述。传统的粉末冶金法（PM）、搅拌铸造法由于在工艺 及成本上存在诸多限制，很难得到应用 。 ［9-10］ 国内近
几年研究较多的主要有注射成型法、挤压铸造法、无 压浸渗法、真空压渗法等。其中注射成型法和无压浸 渗 浇 铸 法 在 国 外 经 过 多 年 的 研 究 发 展 ，已 经 比 较 成 熟，美国的 CPS 和 TTC 公司已经可以分别以这两种工 艺进行 SiCAl 复合材料的小批量生产 ，其 ［11-12］ 产品的 热导率均可达 180 W（/ m·K），热膨胀系数为 7.0×10-6 K-1。注射成型法和无压浸渗浇铸法分别以生产成本 低、制备快速、产品尺寸精度高而成为目前最具发展 潜力和应用前途的制备 SiCAl 复合材料的方法。作者 就近几年来国内外 SiCAl 复合材料最新制备工艺的研 究进行总结，并对各种工艺的优缺点做了分析和评述。
随着电子技术的飞速发展，封装的小型化和组装 的高密度化对电子封装材料在性能和系统的热管理、 质量和功能等方面提出更高的要求［1-2］，而有效的散热 和热匹配是对电子封装材料最关键的要求。这些要 求已经推动了新材料的开发和加工技术，为高性能封 装提供有效的解决方案［3-4］。高热导率、低密度、良好 的综合力学性能和热膨胀性能对多芯片组件的封装 至关重要，SiCAl MMC 具有十分独特的材料性能，能够 很好满足上述对电子封装材料的苛刻要求。SiCAl 热 导率高且和 IC 附件的热膨胀系数相匹配，允许其以最 大的热散耗进入到封装材料中［5］。
第36卷 第5期 2013年 9月
兵器材料科学与工程 ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol.36 No.5 Sept.， 2013
网络出版时间：2013-9-17 15:36 网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.TJ.20130917.1536.010.html
收稿日期：2013-03-16；修回日期：2013-04-27 项目基金：国家自然科学基金资助项目（51074123）；陕西省科学技术研究发展计划项目（2010TG-02） 作者简介：谢斌，硕士研究生；主要从事金属基复合材料等研究工作。E-mail：bbx200999@。 通信作者：王晓刚，博士生导师，教授；主要从事硅镁材料的生产及技术推广等研究工作。E-mail：Xgwang56@。
2 液相浸渗
液相浸渗过程根据有无外界压力，可分为无压浸 渗和压力浸渗。无压浸渗又分为真空无压浸渗和空 气气氛下的无压浸渗；压力浸渗法分为气压浸渗和挤 压浸渗。 2.1 无压浸渗
传统的无压浸渗（图 1a）是指在自然空气或真空 环境下，高温合金熔体依靠毛细管力的作用向多孔预 制体内渗透。主要影响因素为浸渗温度、颗粒尺寸和 气氛种类。无压浸渍工艺实现自润湿作用的关键技
3 注射成型工艺
粉末注射成型（PIM）是将传统的塑性成型和粉末 冶金结合起来的新型近净成形技术，粉末注射成型过 程中粉末流动充填模腔的均匀性，使制品成型后能达 到很高的密度，因此，PIM 产品的力学特性一般都优于 模压［26］。PIM 具有一次性成形复杂形状制品、产品尺 寸精度高、只需微量加工、易于实现生产自动化的特 点，弥补了传统粉末冶金等工艺的不足，可实现不同 材料零部件的一体化，材料适应性广、自动化程度高、 生产成本低，材料利用率几乎可达到 100%，在复合材 料制备领域是一种非常具有竞争力的制备技术［27］。
是：在坩锅底部开一个小孔，当熔融 Al 合金液流出后， 把具有一定动量的 SiCp强制喷入雾化液流中，然后用 高速惰性气体将基体与颗粒混和物分散成细液滴使 其雾化，SiCp及雾化 Al 合金流喷射到基底上共同沉积 成 SiCAl 复合材料（图 6）［30］。喷射沉积法制备的复合 材料的相对密度可达 95%~98%，制备过程温度低、界 面反应少、效率高，有利于实现工业化生产。但缺点 是增强相损失大，成本较高，沉积速度较慢。目前喷 射共沉积工艺的基础性研究还比较滞后，对雾化喷射 沉积成型过程的机理研究缺乏系统深入的研究，因而 对制备过程的优化控制缺少理性指导，难以获得增强 相均匀分布和显微组织一致的沉积坯件。国内中南大 学非平衡研究所、湖南大学的新材料研究所等［31-32］正致 力于喷射共沉积工艺的深入研究。
（School of Materials Science & Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Shaanxi Engineering Research Center of Energy Saving and Polygeneration in Silicon & Magnesium Industry，Xi′an 710054，China）
Abstract Preparation methods of SiCAl used in recent years are intensively introduced，including pressureless infiltration， powder injection molding，spray deposition，etc. And their advantages and disadvantages are further discussed in detail. The preparation trend of SiCAl is also prospected. Key words SiCAl composites；pressureless infiltration；composite slurry；powder injection molding；review
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谢斌等：SiCAl 电子封装材料制备工艺研究进展
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流量计
Ar 气体
钢制坩埚 石墨坩埚 Al 合金块体 SiC 预制体
电体无压浸渗
Al 合金 熔液
SiCp增强体 SiCp/Al 复合浆料
浇注模具
图 1 无压浸渗及流程简图 Fig.1 Pressureless infiltration process
挤压铸造法是先将预制件放到模具中预热，待基 体合金完全熔化后浇注到模具中，然后挤压铸造成形 （图 4）。这种工艺的优点是：工艺及设备简单、组织致 密、无气孔、材料质量稳定。Q. Zhang 等［24］采用挤压铸 造法制备了 SiC 体积分数为 50%~70%、热膨胀系数为 （8.3~10.8）×10-6 K-1、抗弯强度高于 370 MPa 的 SiCAl 材 料。J.M. Lee 等［25］也采用挤压铸造制备出热膨胀系数
搅拌器
测温计 SiC 颗粒
制动器
气阀
电阻炉
Ar 气体
石墨坩锅 注射口涂层
模具
图 5 注射成型法实验装备简图 Fig.5 Equipment of injection molding
4 喷射沉积工艺
喷射共沉积工艺技术作为一种先进的制备工艺 近年来得到学术界的极大关注，该技术一直被用作制 备各种颗粒增强金属基复合材料，能够一次近净成 型，所制备的工件尺寸大，能够实现快速凝固，有其独 特的优越性。喷射沉积工艺制备 SiCAl 的基本原理