D0I:10.13374/i.issn1001053x.2006.05.029 第28卷第5期 北京科。技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 电子封装用高体积分数SiCp/A】复合材料的制备 任淑彬何新波曲选辉叶斌 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 清要采用粉末注射成形制备SiC预成形坯和A合金无压熔渗相结合的工艺，用单一粒度的粉 末成功地制备出了致密度为98.7%的60%SCp/N高体积分数复合材料.SEM分析表明，所制备 的复合材料增强体和基体分布均匀，组织致密，热膨胀系数在100℃到400℃范围内介于(7.10一 7.75)×106K-1之间，室温热导率为170Wm,K,能够完全满足电子封装的技术要求. 关健词SCp/l复合材料；电子封装；注射成形；无压熔渗 分类号TB333 随着电子技术的飞速发展，芯片集成度和频 1 率以及微电路的组装密度不断提高，芯片重量和 实验 体积不断减小，传统的电子封装材料已经不能满 1.1原材料 足这些性能要求，必须尽快研制出热膨胀系数小、 实验所采用的SiC粉末为市售绿色α-SiC, 导热性好、密度低的新一代电子封装材料1-2】.高 粒度级别为W14,纯度大于98%.粉末形状为多 体积分数(55%~70%)SiCp/Al复合材料复合了 棱角不规则形状，如图1所示.注射成形所用的 SiCp和铝的优异特性，具有导热性能好、热膨胀 粘结剂为高温具有较好的流动性，室温具有较好 系数(CTE)低、高比刚度、高比强度以及原材料成 的保形性而且容易脱除的蜡基多聚合物组元粘结 本低等特性，成为较为理想的电子封装材料，因此 剂体系，此粘结剂主要由石蜡、高密度聚乙烯和硬 复合材料的研究已成为国际上近年来材料学科领 脂酸等按照一定的比例配制而成，实验采用自行 域一个十分活跃的前沿课题25) 炼制的铝合金，其主要成分为A1-13Si-9Mg. 由于高体积分数SiCp/AI具有较高的硬度和 弹性模量，很难进行机械加工，尤其是形状比较复 杂的封装零件，这就大大地增加了生产成本，制约 了该种材料的应用和发展.因此，在过去十几年 很多学者开展了对复合材料的近净成形技术研 究，主要的技术有挤压铸造法[46)、胶态成形-熔 渗法5,7-8]等.采用这些方法对于制备体积较大 的复合材料具有明显的优势；但是制备体积较小， 薄壁的样品存在一定的困难.而采用粉末注射成 图1SC粉末的显微形貌 形和无压熔渗相结合的工艺可以低成本并且比较 Fig.1 Morphology of SIC powder 容易地制备出最小壁厚在0.5mm左右、形状复 杂和尺寸精度高的高体积分数SiC/A!复合材料 I.2SiCp/Al复合材料制备 零件.本文以制备60%SiCp/Al为例，介绍了该 将粘结剂和SiC粉末按设计的比例在LH60 工艺的主要过程，并对制备材料的热物理性能进 混炼机上140℃混合60min,得到SiC和粘结剂 行分析评价. 分布均匀的注射喂料，然后在SZ-28/250注射成 形机上于150℃，80MPa的条件下注射出$20mm ×15mm的坯体.采用溶剂脱脂和真空热脱脂相 收稿日期：2005-03-03修回日期：20050404 结合的脱脂工艺，排除注射坯体中的粘结剂后得 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50274014) 作者简介：任淑彬(1978一).男.博士研充生 到多孔的SiC预成形坯，热脱脂的具体步骤需根 据热分析的结果设计.将一定其的AI合金放到
第 2 8 卷 第 5 期 2 0 0` 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rna l fO U n ive rs i t y fO Sc i e n c e a nd T ce h n o IOg y Be Uing V o l . 2 8 N o 。 5 M a y 2 0 0 6 电子封装用高体积分数 si c p / lA 复合材料的制备 任 淑 彬 何 新波 曲选 辉 叶 斌 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 1 0 0 0 83 摘 要 采用粉末注射成形制备 SI C 预成形坯和 川 合金无压熔渗相结合的工艺 , 用单一粒度的粉 末成功地制备出了致密度为 98 . 7 % 的 60 % is c p /月 高体积分数复 合材料 . s E M 分析表 明 , 所制 备 的复合材料增强体和基体分布均 匀 , 组织致密 , 热 膨胀 系数在 10 0 ℃ 到 4 0 0 ℃ 范 围 内介 于 ( 7 . 10 一 7 . 75 ) x lo 一 6 K 一 ’之 间 , 室温热导率为 17 0 w · m 一 ’ · K 一 ’ , 能够 完全满 足电子封装 的技 术要求 . 关镇词 is c p / 川 复合材料 ; 电子封装 ; 注射成形 ; 无压熔渗 分类号 T B 3 3 3 随 着电子 技术的飞速发展 , 芯 片集成度和 频 率以及微电路 的组 装密度不 断提 高 , 芯 片重 量 和 体积 不断减小 , 传统的电子 封 装材料已 经 不 能 满 足这 些性能要 求 , 必须尽快研 制出热膨胀 系数小 、 导热性好 、 密度低 的新一 代电子封装材料 [ ’ 一 2 〕 . 高 体积 分数 ( 5 % 一 70 % ) SI C p / lA 复合材料复合了 SI C p 和 铝 的优异特性 , 具 有导热性能 好 、 热膨 胀 系数 ( C T E )低 、 高比刚 度 、 高比强 度以及原 材料成 本低等特性 , 成 为较为理 想的电子封装材料 , 因此 复合材料的研 究 已 成为国际上 近年来材料学科领 域一 个十分活跃 的前沿课题 降 5〕 . 由于 高体积分数 SI C p / lA 具 有较高的硬 度 和 弹性模量 , 很难进行机械加工 , 尤其是形状 比较复 杂的封 装零 件 , 这就 大大地 增加 了生产成本 , 制约 了该种材料的应 用和 发 展 . 因此 , 在过 去 十几 年 很 多学者开 展 了 对 复合材料的 近 净成形 技术 研 究 , 主要 的技 术有 挤压 铸 造 法 [ 4 · “ ] 、 胶 态 成形 一熔 渗法 5[, 7一 等 . 采用这 些 方 法 对 于 制备体积 较 大 的复合材料具 有明显的优势 ;但是制备体积较小 , 薄壁的样品存在一 定的困难 . 而 采用粉末注 射成 形和 无压熔 渗相结合的工 艺可以低成本并且 比较 容易地 制备出 最 小壁 厚 在 0 . s m m 左 右 、 形状 复 杂和尺 寸精度高的高体积 分数 SI C / lA 复合材料 零件 . 本文 以 制备 60 % SI C p / lA 为例 , 介绍 了该 工 艺的主要过 程 , 并对 制备材料的热物理 性 能 进 行分析评价 . 1 实验 1 · 1 原材料 实验所 采用 的 SI C 粉末为市售绿 色 a 一 SI C, 粒度 级别为 W 14 , 纯 度大于 9 8 % . 粉末形 状 为多 棱 角不 规 则 形状 , 如 图 1 所 示 . 注射成形 所 用 的 粘结剂为高温 具 有较 好的流 动性 , 室 温 具 有较好 的保形性而且 容易 脱除的蜡基 多聚 合物组 元粘结 剂体 系 , 此 粘结剂主 要 由石蜡 、 高密度聚乙烯和硬 脂酸等按照一 定的比例配 制而 成 . 实验采用 自行 炼制的铝 合金 , 其主 要成分为 lA 一 1 3 51 一g M g . 图 1 sl c 粉 末的显橄形貌 F lg . 1 M o r p ho l呢岁 o f S IC P o w d e r 收稿 B 期 : 2 0 0 5刃3一3 修回 B 期 : 2 0 0 5一4 一4 墓金项 目 : 国家 自然科学基金资助项 目 ( N o 5 0 2 7 4 0 14 ) 作者简介 : 任淑彬 ( 19 78 一 ) , 男 , 博士研究生 1 . 2 s i e p z A 一复合材料制备 将粘结剂 和 SI C 粉末按设 计 的比例在 L H 6 0 混炼机上 14 0 ℃ 混 合 6 0 m in , 得 到 SI C 和 粘结剂 分布均 匀的 注射喂 料 , 然后 在 5 2 一 2 8 / 2 5 0 注 射成 形 机上 于 150 ℃ , 80 M P a 的条 件下 注射出 小20 m m x 巧 m m 的坯 体 . 采用溶剂 脱脂和真 空热 脱 脂相 结合的脱 脂工 艺 , 排除注射坯 体中的粘结剂后 得 到 多孔的 SI C 预 成 形坯 , 热 脱 脂的具 体步骤 需 根 据热 分析的结果 设 计 . 将一 定 量的 lA 合金 放到 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 05. 029
Vol.28 No.5 任淑彬等：电子封装用高体积分数SiC印/Al复合材料的制备 ·445· SiC脱脂坯的上方并一起放到涂有BN的氧化铝 2.36 甘锅中，然后放入可控气氛的管式炉中，在N2气 ·Experimental 2.32 -Theoretical 氛中于1100℃保温60min. 1.3分析测试 号2.28 采用LE0-1450扫描电镜观察样品的微观形 2.24 貌；样品的结构相用D/Max~RB型X射线衍射 2.20 (XRD)仪(Cu靶)进行测量分析；采用NETZSCH 2.16 TMA402热膨胀性能分析仪测量材料的热膨胀 0.540.560.580.600.620.64 系数；采用激光闪光法测复合材料的热扩散系数 SiC粉末体积分数 图2SC粉末的装载量曲线 2结果与讨论 Fig.2 Loading curve of SiC powder 2.1SiC粉末注射成形装载量的确定 粉末注射成形装载量为固相粉末在喂料中所 占的体积分数.由于SiC注射坯中的粘结剂被脱 除后留下的孔隙会在无压熔渗的过程中被A!合 金填充，所以SC粉末注射成形的装载量就是最 终所制备的复合材料中SiC的体积分数.这样可 以通过控制SiC粉末与粘结剂的体积分数比较准 确容易地控制SiC在复合材料中的体积分数.粉 um 末注射成形要求喂料在高温下具有合适的粘度， 围3注射坯断口的SEM扫描照片 以确保注射坯的质量.喂料的粘度随着粉末装载 Flg.3 SEM morphology of the fracture surface of an InJeeted 量的增加而增加，所以对于确定粒度的粉末进行 sample 注射成形时存在一个临界的粉末装载量，利用密 2.2喂料的注射性能 度和固体含量的关系曲线可以确定实验的临界粉 表1示出了在不同注射工艺参数下20mm 末装载量9].图2是SiC(W14)注射坯的密度和 ×15mm注射坯的外观品质特征.从表中可见： SiC体积分数的关系曲线，图中直线为理论密度. 喂料在150~180℃的温度范围内均能够较好地 可以看出，当SiC体积分数超过60%时，实际密 完成冲模注射过程，表现出良好的流动性和过程 度开始偏离理论密度.说明注射坯中SiC与粘结 稳定性；但是该粘结剂对温度较为敏感，过高的注 剂开始出现两相分离，并有可能出现孔隙，而这种 射温度容易造成注射坯的塌陷和两相分离，最佳 孔隙由于孔径过大不会被A1熔渗进去而遗留在 的注射温度为150~170℃范围，这时的喂料无论 复合材料中从而严重影响材料的性能.所以本实 从冲模过程还是生坯的表面粗糙度都表现为最 验的装载量确定为60%，这也是最终所制备的复 佳；喂料对注射压力的敏感程度较小，压力在60 合材料中SiC的含址.图3是注射试样的断口扫 ~90MPa范围内波动时，均能较好的完成注射， 描照片，可以看出SC与粘结剂分布均匀，没有 当压力过大时，样品的和模处会产生和模线，影响 孔隙出现. 注射坯的表面质其 表1注射成形工艺参数对坯体质量的形响 Table】 Effects of injection molding parameters on the quality of green body 注射压力/ 注射温度/气 MPa 140 150 160 170 180 60 模腔未被注满 完好 完好 完好 内有孔洞 75 模腔未被注满 完好 完好 完好 表面有气泡 90 部分注满 完好 完好 完好 中部塌陷 105 部分注满 完好 内有孔洞 出现和模线 中部塌陷
V o l 。 2 8 N o 。 5 任淑彬等 : 电 子封装用高体积分数 si c P/ AI 复合材料的制 备 SI C 脱脂坯的上 方并一 起放到 涂 有 B N 的氧化铝 甘锅 中 , 然后 放入 可控气氛 的管式炉 中 , 在 N : 气 氛中于 1 20 0 ℃ 保温 6 0 m i n . 1 . 3 分析测试 采用 L E O 一 14 5 0 扫 描 电镜观察样品 的微观形 貌 ; 样品 的结构相用 D/ M ax 一 RB 型 X 射线衍射 ( X R D )仪 ( C u 靶 )进行测 量分析 : 采用 N E T Z S C H T M A 40 2 热膨胀性能分析仪测量材料 的热膨 胀 系数 ; 采用激光闪 光法 测复合材料的热扩散系数 . . E x ep ir m e n t a l 一 1’h e o r e t i e a ! 孟ùU, O J 咔n U 6 气j汽J, `气乙ù,- : , … , ù乙, ,山`` 翘脚护í日?的 0 . 54 0 图 2 5 6 0 5 8 0 6 0 0 . 6 2 0 . 64 is C 粉末体积分数 sl c 粉末的装载t 曲线 2 结果 与讨论 2 . 1 SI C 粉末注射成形装载t 的 确定 粉末注射成形 装载量 为固相粉末在喂 料中所 占的体积分数 . 由于 SI C 注射坯 中的粘 结剂 被 脱 除后 留下的孔隙会 在 无 压熔渗 的过 程 中被 lA 合 金填 充 , 所以 SI C 粉末注 射成 形 的装载量就 是 最 终所制备的复合材料 中 SI C 的体积分数 . 这 样可 以通 过 控制 SI C 粉末与粘结剂的体积分数 比较准 确容 易地 控制 SI C 在复合材料中的体积 分数 . 粉 末注 射成形要 求 喂料在高温 下具 有合适 的粘度 , 以确保注射坯的质量 . 喂料的粘度随 着粉末装载 量的增 加而增加 , 所以对于 确 定粒 度的粉末进行 注射成形时存在一个临界 的粉末装载量 . 利用密 度和 固体含量的关 系曲线可以确定 实验的临界粉 末装载量9[] . 图 2 是 SI C ( w l4 ) 注 射坯 的密 度 和 SI C 体积分数的关系 曲线 , 图中直 线为理 论 密度 . 可以看 出 , 当 SI C 体积 分数超 过 6 0 % 时 , 实际 密 度开 始偏离理 论密度 . 说 明注射坯 中 SI C 与粘结 剂开 始出现 两相分离 , 并有可能出现孔 隙 , 而这 种 孔隙由于孔径过 大不 会 被 1A 熔 渗进 去而 遗 留 在 复合材料中从 而严重 影 响材料的性能 所以本实 验的装载量确定为 60 % , 这 今是 最 终所制备的复 合材料 中 SI C 的含 量 . 图 3 是注 射试样 的断 口 扫 描照 片 . 可以看 出 SI C 与粘 结剂 分布均匀 , 没 有 孔隙出现 . F lg . 2 oL a d i n g e “ vr e o r s iC OP w d e r 图 3 注射坯断口 的 S E M 扫描照片 F lg . 3 S E M m o 印h o l o gy o f t加 fr a e t . 陀 s u r fa 理 o f a n i川ec t曰 sa m p l e 2 . 2 喂料的注射性能 表 1 示 出了 在不 同注 射工 艺参数下 似o m m x 15 m m 注 射坯 的外观 品 质特 征 . 从 表中可 见 : 喂料在 巧0 一 18 0 ℃ 的温 度范 围内均能 够较 好地 完成冲模注射过 程 , 表现 出 良好 的流 动性和 过 程 稳定性 ; 但是 该粘结剂对温 度较为敏 感 , 过 高的注 射温 度容易造 成注 射坯 的塌 陷和两 相分离 , 最佳 的注射温度为 15 0 一 1 70 ℃ 范围 , 这 时 的喂 料无论 从 冲模过 程 还 是 生 坯 的表 面 粗糙度都表 现 为最 佳 ; 喂料对注 射压 力 的敏 感程 度较 小 , 压 力 在 6 0 一 9 0 M P a 范围 内波 动时 , 均能较好的完成 注 射 , 当压 力过 大 时 , 样 品的和模处会 产生 和模线 , 影响 注射坯的 表面 质量 . 表 l 注射成形工艺参数对坯体质 t 的影响 介b l e 1 E f n 沈七 o f i川ec t lo n mo ld l叱 p a ar 时 比t e sr o n t he q ua l i t y o f 舍r e n 肠闭 y 注射压 力 / M P a 注射温度 / ℃ 模腔 未被注 满 模腔未被注 满 部分注满 部分注 满 完好 完好 完好 完好 完好 完好 完好 内有孔洞 完好 完好 完好 出现和 模线 内有孔洞 表面有气泡 中部塌陷 中部塌陷 60759105
·446· 北京科技大学学报 2006年第5期 2.3复合材料的显微组织 与基体AI合金分布均匀，组织致密，基本上观察 图4是经过无压熔渗所得到复合材料的光学 不到大的孔隙，采用排水法测得试样的相对密度 组织(a)和断口的SEM(b).从图中可以看出，SiC 为98.7%，孔隙率不到2%. (a) 30μm 20μm 图4复合材料的显微组织.(a光学组织：(b)断口SEM Fig.4 Microstructures of the composites:(a)optical micrograph;(b)SEM of fracture surface 图5是断口的XRD图谐.可以看出，复合材 数随温度的变化一方面与基体随温度的变化有 料中并不存在有害相AL,C,说明在实验温度下 关，另一方面与复合材料内部的应力也有密切的 Al与SiC没有发生界面反应.Al与SiC在温度高 关系，从熔渗温度冷却的过程中，SiC与AI的热 于800℃时易产生界面发应4A1+3SiC=Al4Cg+ 膨胀系数差异导致复合材料内部产生很大的应 3Si,所生成的Al,C3很容易在潮湿的空气中因受 力，而这种应力在进一步的升温过程中会释放，有 潮发生水解反应Al4C3+12H20=4A1(OH)3+ 助于热膨胀系数的增加].当应力释放完时，复 3CH,导致复合材料粉化，所以界面反应的发生 合材料的热膨胀系数将主要受基体本身的热膨胀 严重地影响材料的物理性能和耐蚀性能10].大 性质影响，而对于A-Si合金的热膨胀系数随温 量的研究结果表明，通过在Al中添加适量的Si 度的变化会受到Sⅰ在A1中的固溶度影响，在较 能够有效地阻止或减少界面反应的发生.从本实 高的温度下Si在AI中的固溶度随着温度的升高 验的结果看，在1000℃的条件下A1中含有13% 而增大，导致AI的点阵常数减小，热膨张系数降 Si时Al与SiC之间的反应就很难发生，这与已有 低，从而导致复合材料的热膨胀系数在较高的温 的研究结果0-是一致的， 度下随着温度的升高而降低3] ◆-SiCo-Al o-AIN●-Si 1.6 7.4 7.2 7.0 100 200 300 400 80 100 温度/℃ 28() 图6复合材料的热需胀曲线 困5复合材料断口的XRD谱 Flg.6 Coefficlent of thermal expansloncurve of the composlte Fig.5 XRD of the composite's fracture 实验测得的复合材料的热导率为170 2.4复合材料的热物理性能 W·m1K1.表2列出了几种封装材料的物理 图6为所制备复合材料的热膨胀系数(CTE) 特性14.对比可以看出，60%SiCp/A1的热膨胀 随温度的变化曲线.可以看出，在100~250℃范 系数与GaAs,BeO接近匹配，热导率与传统Cu 围内热膨胀系数随着温度的升高而升高，在250 (15%,质量分数)/W相当，是柯伐合金的10倍， ℃时出现一个最大值7.75×106K1;随着温度 在密度上接近A,不到Cu/W的1/5.综合比较 的进一步升高，热膨胀系数开始降低.热膨胀系 可以看出，高体积分数SiCp/A】有望替代传统的
· 4 ` · 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 ` 年第 s 期 2 . 3 复合材料的显微组织 图 4 是经过 无压熔 渗所得到 复合材料的光学 组织 ( a) 和 断 口 的 SE M ( b) . 从 图中可以看出 , SI C 与基体 lA 合金分布均匀 , 组 织 致 密 , 基 本上 观 察 不到 大的孔隙 . 采用 排水法测 得试样的相对密度 为 9 8 . 7 % , 孔隙率不到 2 % . 图 4 泛合材料的显徽组织 . ( 。 )光学组织 ; ( b) 断口 s E M 瑰 . 4 M滋找川门 d ~ Or 血 阴甲目肠 : ( a) 明娜k 目 耐口吃口户 ; 《b) S E M or 角川叭 , 叮如理 图 5 是断口 的 x R D 图谱 . 可 以看出 , 复合材 料中并不存在有 害相 iA 4 q , 说明 在 实 验温 度 下 川 与 SI C 没有发生 界面反 应 . IA 与 SI C 在 温度高 于 8 0 0 ℃ 时易产生界 面发应 4 IA 十 3 SI C = A玩几 + 3 51 , 所生成的 A 玩几 很 容 易在潮湿 的空 气中因受 潮发 生水解 反 应 从3C + 12践。 = 4 A I ( o H ) 3 + 3C氏 , 导致复合材料粉 化 , 所 以 界面 反 应 的发生 严重 地 影 响材料的 物理性 能和 耐蚀 性 能[ `” ] . 大 量的研究 结果 表 明 , 通 过 在 1A 中添 加 适 量的 iS 能够有效地 阻止 或减少 界 面反 应 的发生 . 从本实 验的结果看 , 在 1 0 0 0 ℃ 的条件下 lA 中含 有 13 % iS 时 lA 与 iS c 之 间的反 应就很 难发生 , 这 与 已有 的研 究结果 [ ’ 。 一 川是 一致 的 . 数随温度的变化一 方面 与基 体 随温 度的变化有 关 , 另一方面 与复合材料 内部的应 力也有密切的 关系 . 从 熔渗温度冷却的过 程 中 , SI C 与 lA 的热 膨胀 系数差 异导 致复 合材 料内部产 生很 大的应 力 , 而 这种应力在进一 步的升温过 程 中会释放 , 有 助于 热膨 胀系数的增加〔` 2] . 当 应 力释放完时 , 复 合材料的热膨 胀系数将主要 受基体本身的热膨胀 性质影 响 , 而对 于 lA 一iS 合金 的热膨胀 系数随温 度的变化会 受到 iS 在 A I 中的固 溶度影 响 , 在较 高的温 度下 iS 在 lA 中的固溶度随 着温 度的升高 而增大 , 导致 lA 的点阵常数减小 , 热膨胀 系数降 低 , 从 而导致 复合材料的热膨胀系数在较高的温 度下 随着温 度 的升高而降低〔’ 3] . 一S IC a · A ! O · A IN 一 5 1 甲”! 稗 . 宁 0 1 0 . 口 翻姿渔族介吕宁。一降)/ O - 口舀下月` | 侧烦毕衡 J J 2 0 4 0 60 2 哪 O 立 . 80 二 温度 l℃ 圈 ` 盆合材料的热毖胀曲线 图 5 复合材料断口 的 X R D 谱 lF g . ` C倪 m e l e o t o f t卜份州. 1 e x ep nS l o l e u .yr o f t映 co m p 阅l t e F i忍 . 5 x R D o f the c o m 侧褚i t e , s far e t uer 2 . 4 复合材料的 热物理性能 图 6 为所制备复合材料的热膨 胀 系数( C T E ) 随 温度的变化曲线 . 可以看出 , 在 10 0 一 2 50 ℃ 范 围内热膨 胀 系数随 着温 度的升高 而 升高 , 在 2 50 ℃ 时出现 一 个最大值 7 . 75 义 10 “ “ K 一 ’ ; 随 着温 度 的进 一 步 升高 , 热 膨 胀 系数 开 始降低 . 热 膨 胀 系 实 验 测 得 的 复 合 材 料 的 热 导 率 为 1 70 W · m 一 ’ · K 一 ’ . 表 2 列 出 了 几 种封装材料的物理 特性〔’ 4 ] . 对 比可以 看出 , 60 % is c p / lA 的热 膨 胀 系数与 G aA s , B e O 接近 匹 配 , 热 导 率 与传统 C u ( 巧 % , 质量分数 ) / W 相 当 , 是 柯伐合金 的 10 倍 , 在 密度上接近 lA , 不 到 C u/ W 的 1/ 5 . 综 合比较 可 以 看 出 , 高体积分 数 SI C P/ IA 有望 替代传统 的
Vol.28 No.5 任淑彬等：电子封装用高体积分数SiCp/A1复合材料的制备 ·447· 封装材料而成为综合性能优异的新一代电子封装 thermophysical properties of high volume fraction SiCp/Al 材料. metal matrix composites.Mater Sci Technol,2003,19:1057 [2]Sathe S,Sammakia B.A review of recent developments in 表2SiCp/A1与几种封装材料的物理性能比较 some practical aspects of air-cooled electronic packages.J Heat Table 2 Comparison of physical performance between SICp/Al and Transfer.1998,120(4):830 some electronic encapsulation materials [3] Arpon R,Molina J M.Saravanan R A,et al.Thermal expan- 25℃-150℃， 密度/ 热导率/ sion behaviour of aluminum/SiC composites with bimodal par 材料 热膨胀系数/ ticle distributions.Acta Mater,2003,51:3145 (g.cm-3) (10-6K-) (W.m-I.K-I) [4】张强，陈国饮，武高辉，等.含高体积分数SiCp的铝基复 60%SiCp/Al 2.92 7.2 170 合材料制备与性能.中团有色金属学报，2003,13(5)： wW+11%-20%Cu15.65-17.00 6.5-8.3 180-200 1180 柯伐 8.10 5.2 11-17 [5]平延磊，贾成厂，曲选辉，等.SCp/A电子封装复合材料预 GaAs 5.32 6.5 成形坯的制备，北京科技大学学报，2004,26(3)：301 Al2O3 3.60 6.7 17 [6]赵敏，武高辉，姜龙诗，高体积分数挤压铸造铝基复合材 BeO 2.90 7.6 250 料时效特征.复合材料学报，2004,21(3)：91 [7] 喻学斌，张国定，吴人杰.真空压渗铸造铝基电子封装复 3结论 合材料研究.材料工程，1994(6)：9 [8]Pech M I,Katz R N,Makhlouf MM.Optimum conditions 利用粉末注射成形-无压熔渗相结合的工艺 for pressureless infiltration of SiC preforms by aluminium al- 可以低成本制备出形状复杂、具有较高尺寸精度 loys.J Mater Process Technol,2000,108:68 的封装零件，不需要二次加工，克服了复合材料难 [9]German R M.Powder injection molding.New Jersey:MPIF 以机械加工的缺点.实验所制备的(60%)SiCp/ Princeton,1990 A1复合材料致密度较高，热膨胀系数在100~400 [10]Lee J C.Byun J N,Park S B,et al.Prediction of Si content to suppress the formation of AlCa in the SiCp/Al composite. ℃范围内介于(7.10~7.75)×106K1之间，与 Acta Mater,1998.46(5):1771 GaAs,Be0接近匹配；热导率为170W·m1.K-1, [11]Viala J C,Laurent V.Lepet Y.Mechanism and kinetics of 与传统Cu(15%,质量分数)/W相当，是柯伐合 the chemical interaction between liquid aluminium and silicon 金的10倍：在密度上接近Al,不到Cu/W的1/5. carbide single crystals.J Mater Scl,1993.28:5301 可见，采用注射成形一无压熔渗相结合的制备工 [12]喇培清，许广济，丁雨田.高体积分数粒子型铝基复合材 料热膨胀性能的研究.复合材料学报，1998,15(2)：7 艺可以制备出综合性能优异的高体积分数SiCp/ [13]Hahn T A,Armstrong R W.Internal stress and solid solubil- A1复合材料，有望替代传统的封装材料而成为新 ity effects on the thermal expansivity of Al-Si eutectic alloys. 一代电子封装材料， Int J Thermophys,1988,9(2):179 [14】张崎，功率微电子封装用铝基复合材料，徽电子技术， 参考文献 1999,27(2):30 [1]Lee H S,Hong S H.Pressure infiltration casting process and Preparation of high volume fraction SiCp/Al composites for electronic packaging REN Shubin,HE Xinbo,QU Xuanhui,YE Bin Material Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT 60%SiCp/Al composites with a relative density of 98.7%were successfully prepared by the combination of ceramic injection molding for the preparation of SiC preforms with monosized particles and aluminum pressureless infiltration technique.The composites'microstructures were uniform and dense ob- served by SEM.The coefficients of thermal expansion of the composites in the current work ranged from 7.l0×10-6to7.75×10-6K-1 as the temperature from100℃to400℃，and the thermal conductivity was 170W.m-1.K1.Both were suit the technique requirement for electronic packaging. KEY WORDS SiCp/Al composites;electronic packaging;powder injection molding;pressureless infiltra- tion
V o l . 2 8 N o . 5 任淑彬等 : 电子封装用高体积分数 is c P/ IA 复合材料的制备 4 4 7 . 封装材料而成为综合性能优异的新一 代电子 封装 材料 . 衰 2 sl c p / lA 与几种封装材 料的物理性能 比较 几b l e 2 C o m p ar i sou o f P h y s ica l eP r fo r . . n ce 悦 t w e n S IC P/ A I a dn 侧娜. d ce t or 川 e e叭声 u l a ti ou 血 t e d al s 材料 密度 / ( g · e m 一 3 ) 2 5 ℃ 一 1 5 0 ℃ , 热膨胀 系数 / ( 10 一 6 K 一 l ) 热导率 / ( w · m 一 l · K 一 l ) 6 0 % S IC p / iA 2 . 9 2 W + 1 1% 一 20 % Q J 1 5 . 65 一 17 . 的 柯伐 8 . 10 G a A s 5 . 32 A 12伪 3 . 6 0 B e( 〕 2 . 9 0 7 . 2 6 . 5 一 8 . 3 5 . 2 6 . 5 6 . 7 7 . 6 17 0 18 0 一 2 0 0 1 1 一 17 5 4 l 7 2 5 0 3 结论 利用 粉末注射成形一 无 压熔渗相结合的工 艺 可以低成本制备出 形状 复杂 、 具 有较高尺 寸精度 的封装零件 , 不需要二 次加工 , 克服了复合材料难 以机 械加 工 的缺点 . 实验所制备的 ( 60 % ) SI C p / lA 复合材料致密度较高 , 热膨 胀 系数在 10 0 一 4 0 0 ℃ 范围内介于 ( 7 . 10 一 7 . 7 5 ) x lo ’ 6 K 一 ’ 之 间 , 与 G aA s , B e O 接近 匹配 ; 热导率为 17 0 w · m 一 ’ · K 一 ` , 与传统 C u( l5 % , 质量分数 ) / w 相 当 , 是 柯伐 合 金 的 10 倍 ; 在密度上 接近 lA , 不到 C u/ W 的 1 5/ . 可见 , 采用注 射成形 一 无 压 熔 渗相结 合的制备工 艺可 以制备出综 合性 能优异的高体积分数 is c P/ A l 复合材料 , 有望 替代传统 的封装材料而 成为新 一代 电子封装材料 . 参 考 文 献 [ 1 ] L e H s , H o n g 5 H . p re s u r e i n fi l r r a t i o n 。 a s t i飞 p r oc e s a n d t h e rm o p h y s i e a l p r o 谬 r t ies o f h ig h vo l u me f ar e t i o n S IC 可lA m e t a 盖m a t r i x e o m op s i t e s . M a t e r cs i l 祝h on l , 2 0 0 3 , 19 : 1 0 5 7 [ 2 」 aS t h e S , aS m m a k i a B . A r e v i e w o f : ce e n t d e v e l o p m e n t s i n osm e p r a e t i e a l a s详 e t s o f a i r 一 co l e d e lce t or n i e p a e k呀e s . J H ae t rT a ns fe r , 19 9 8 , 1 2 0 ( 4 ) : 8 3 0 【3」 A r 卯 n R . M o li n a J M . aS r a v an a n R A , e t 。 1 . T h e rm a l e x 钾n - is on b e h a v s o u r o f 。 l u m i n u m / S IC c o m p o s i t es w i t h bi m叼 a l 钾r - t i e l e d i s t r ib u t i o n s . A e t a M a te r , 2 0 0 3 , 5 1 : 3 1 4 5 【4 ] 张强 , 陈国钦 , 武高辉 , 等 . 含 高体积分数 is c p 的铝 基复 合材料制 备 与性 能 . 中国 有色金 . 学报 . 2 003 , 13 ( 5 ) : 1 1 80 〔5 」 平 延磊 , 贾成 厂 . 曲选 辉 , 等 . is c p /月 电子封装复 合材料 预 成形坯的制备 . 北京科技大学学报 , 20 04 , 2 6( 3) : 301 【6 ] 赵敏 , 武 高辉 , 姜 龙涛 . 高体积分 数挤 压 铸造铝基 复合材 料时效特征 . 复合材料学报 , 2 0 04 , 21 ( 3) : 91 【7] 喻学斌 , 张国定 , 吴人 杰 . 真空 压 渗铸造 铝墓 电子 封装 复 合材料研究 . 材料工程 . 19 9 4( 6 ) : 9 [ 8 」 p ec h M 1 . K a t z R N , M a k h l o u f M M . o p t im u m 。 o n d i t i o n s of r p r e s s u r e l es i n f il t ar t ion o f S IC p r e of rms b y a l u m i n i u m a l - l o y s . J M a t e r P r o 心已 络 T ce h on l , 20 0 0 , 10 8 : 6 8 [ 9 1 eG rm a n R M . P o w d e : inj ce t i o n om ld i n g . N e w J e r se y : M P IF P r i n e e t o n , 1 9 9 0 [ 1 0 ] L e e J C , B y u n J N , P a r k 5 B . e t a l . P r e di e t i o n o f s i co n t e n t t o s u p p r e s t h e of r m a t i o n o f 月; C 3 i n t h e S IC可川 co m xl 招 i t e . A e t a M a t e r , 1 9 9 8 , 4 6 ( 5 ) : 1 7 7 1 [ 1 1 ] V i a l 。 J C , I刁 u r e n t V , I _ e p e t Y M ce h a n i sm 。 n d k i n e t ics o f t h e e h e m i e a l i n t e r a e t i o n b e t w e n l iq u id a l u m i n i u m a n d s ilico n - e a r b id e s i n g l e e 斗s t a l s . J M a t e r cS i , 1 9 9 3 , 2 8 : 5 3 0 1 【12 〕 喇培清 , 许广济 . 丁雨 田 . 高体积分数粒子型 铝墓 复合材 料热 膨胀性能的研究 . 盆合材 料学报 . 19 98 . 15 ( 2) : 7 [ 1 3 了 aH h n T A , A r m s t or n g R w . I n t e rn a l s t r e s an d . lid os l u b il · i t y e f f e e t s o n t h e t h e rm a l e x pa n s i v i t y o f IA 一 5 1 e u t ce t i e a ll o ” . I n t J T h e ~ p 加y s , 1 9 8 8 . 9 ( 2 ) : 1 7 9 【14 〕 张崎 . 功率 微 电子封 装 用铝 基复 合材 料 . 徽电子 技 术 , 1 9 9 9 , 2 7 ( 2 ) : 3 0 P r e p a r a t i o n o f h ig h v o l u m e f r a e t i o n S IC p / A I C o m p o s i t e s f o r e l e 。 t r o n i c p a e k a g i n g R E N hS u b i n , 月E X i n bo , Q U X u a n h u i , Y E B i n M a r e r i a l 反 i e n e e a n d E n g i n e r i n g cS h o l , U n ive rs i t y o f cS i e n e e a n d T ce h n o l呢 y Be i j i n g , eB ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a A BS T R A C T 6 0 % S IC P / A I e o m P o s i t e s w i t h a re l a t ive d e n s i t y o f 9 8 . 7 % w e re s u e e e s s f u ll y P re P a re d b y t h e e om b i n a t ion o f e e r a m i e inj e e t i o n mo ld i n g fo r t h e p r e p a r a t i o n o f S IC p r e f o r m s w i t h m o n o s i z e d p a r t i e l e s a n d a l u m i n u m p r e s s u r e l e s s i n fi l t r a t i o n t e e h n i q u e . T h e e o m p o s i t e s ’ m i e r o s t r u e t u r e s w e r e u n if o r m a n d d e n s e o b - se vr e d b y S E M . T h e e oe f fi e i e n t s o f t h e r m a l e x p a n s i o n o f t h e e o m p o s i t e s i n t h e e u r r e n t w o r k r a n g e d f rom 7 . 10 x 20 一 6 t o 7 . 7 5 x z o 一 6 K 一 l a s t h e t e m p e ra t u re rro m z o o ℃ t o 4 0 0 ℃ , a n d t h e t h e r m a l e o n d u e t i v i t y w a s 1 7 0 w · m 一 l · K 一 1 . 价t h w e r e s u i t t h e t e e h n iq u e r e q u i r e m e n t fo r e l e e t r o n i e p a e k a g i n g . K E Y WO R D S S IC p / A I co m p o s i t e s ; e l e c t or n i 。 p a e k a g i n g ; p o w d e r i nj e e t i o n m o ld i n g ; p r e s s u r e l e 骆 i n f i l t r a - t i o n