·490· 北京科技大学学报 第36卷 电路在正常温度下工作就显得尤为重要.与此同 法.其成形理论为：当处于液、固两相共存的混合体 时，电子封装也正不断向小型化、高性能、高可靠性 系受到外力作用时，材料内部的液相和固相就会出 和低成本方向发展，封装对系统性能的影响已变得 现分别流动，一般液相流动的倾向大于固相：当外力 和芯片同等重要，从而引起与之相匹配的电子封装 增加到一定程度时，液相就会加剧流动，导致液、固 材料的飞速发展 两相产生分离，液相从固相颗粒的间隙中压出，流向 作为一种理想的电子封装材料，必须满足以下 无约束的自由表面，而固相颗粒则发生聚集) 几个基本要求回：一是材料的导热性能要好，能够 运用此法来制备SiC颗粒增强A!基电子封装 将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出 材料具有以下优势：(1)通过控制SiC的体积分数 去；二是材料的热膨胀系数(CTE)要与Si或GaAs 可调整电子封装材料的热膨胀系数.改变滤液槽的 等芯片相匹配，以避免芯片的热应力损坏：三是材料 大小可控制电子封装材料中SC的体积分数，从而 要有足够的强度和刚度，对芯片起到支承和保护的 得到不同热膨胀系数的电子封装材料，也即通过此 作用：四是材料的成本要尽可能低，以满足大规模商 法可调整电子封装材料的热膨胀系数：(2)可得到 业化应用的要求.在某些特殊的场合，还要求材料 高SiC体积分数和高致密度的电子封装材料.SiC 的密度尽可能地小（主要是指航空航天设备和移动 颗粒的体积分数通过伪半固态挤压触变，可达 计算/通信设备)，或者要求材料具有电磁屏蔽和射 63%~75%,其体积分数和复合材料的致密度都超 频屏蔽的特性. 过了粉末治金：(3)可实现产品的净成形或近净 传统的电子封装材料，如Kovar合金(Fe-Ni-Co 成形. 合金)、Invar合金(Fe-Ni合金)、WICu合金等由于 成本高、密度大等缺点已不能满足发展要求B,从 1实验材料 而出现了各种新型的电子封装材料，如A1/Si电子 实验材料为SiC颗粒增强A!基复合材料冷压 封装材料B-和A1/SiC电子封装材料m.其中A1/ 坯.其中SiC颗粒（其化学成分如表1）体积分数为 SiC电子封装材料结合了A1基体的低密度、高导热 30%,平均粒度为47μm;基体材料采用平均粒度为 性及SC的低膨胀、高强度性，具有轻质、高导热、低 64m纯工业铝粉，牌号A99.70A,其化学成分 热膨胀以及高比强度、比刚度、弹性模量等性能优 列于表2. 点，而且可通过SiC体积分数来调整膨胀系数，实现 表1SiC颗粒化学成分（质量分数） 与GaAs芯片和氧化铝基板的热匹配，可近净成形 Table 1 Chemical composition of SiC particles % 形状复杂的构件，因此生产成本也较低，使其在微波 SiC Fe 游离Si 0 Ca 集成电路、功率模块和微处器盖板及散热板等领域 得到广泛应用 97.25 <1.18 <0.98 <0.33 <0.26 A/SiC作为第三代电子封装材料回，常用来制 表2基体材料的化学成分（质量分数） 备其方法的有粉末治金法(PM)、无压或挤压浸渗 Table 2 Chemical composition of the matrix material% 法、喷射沉积法、搅拌混合技术等.但是，目前这些 Al Fe Cu 制备方法生产AI/SiC电子封装材料存在一系列问 99.81 0.1071 0.0702 0.0005 题：粉末治金法工艺程序多、周期长、制件的大小和 形状受到一定限制且致密度低：浸渗法所需设备复 2 实验方法 杂、成本较高且所制材料的残余应力也较大、孔隙率 也较高：喷射沉积技术所需设备昂贵、孔隙率高、原 首先，采用粉末治金的方法将体积分数30% 材料损失大等缺陷；搅拌混合技术SC增强颗粒的 SiC颗粒和70%A!粉进行机械混粉，后经冷压制坯 体积分数受到限制，一般不超过20%.本文首次采 (见图1)和高温烧结、伪半固态触变成形等工序制 用伪半固态触变成形法制备SiCp/Al电子封装材 成不同SiC体积分数A山基电子封装材料（直径 料，利用伪半固态金属触变时液固易分离的特点，开 50mm圆饼).其中，在冷压制坯阶段，为了将铝粉表 发了一种新型短流程、易操控且低成本的材料制备 面的氧化膜充分破碎，建立粉末间的塑性粘接和原 工艺，并制备出三种不同SiC体积分数A1基电子封 子扩散结合，并获得较高的致密度以阻止后续加热 装材料 过程中坯料的内部氧化，采用195MPa较高的压制 伪半固态触变成形法是一种新型的材料成形方 压强：烧结阶段，为了使冷压坯料加热均匀，采用北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 电路在正常温度下工作就显得尤为重要． 与此同 时，电子封装也正不断向小型化、高性能、高可靠性 和低成本方向发展，封装对系统性能的影响已变得 和芯片同等重要，从而引起与之相匹配的电子封装 材料的飞速发展． 作为一种理想的电子封装材料，必须满足以下 几个基本要求［2］: 一是材料的导热性能要好，能够 将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出 去; 二是材料的热膨胀系数( CTE) 要与 Si 或 GaAs 等芯片相匹配，以避免芯片的热应力损坏; 三是材料 要有足够的强度和刚度，对芯片起到支承和保护的 作用; 四是材料的成本要尽可能低，以满足大规模商 业化应用的要求． 在某些特殊的场合，还要求材料 的密度尽可能地小( 主要是指航空航天设备和移动 计算/通信设备) ，或者要求材料具有电磁屏蔽和射 频屏蔽的特性． 传统的电子封装材料，如 Kovar 合金( Fe--Ni--Co 合金) 、Invar 合金( Fe--Ni 合金) 、W/Cu 合金等由于 成本高、密度大等缺点已不能满足发展要求［3--4］，从 而出现了各种新型的电子封装材料，如 Al /Si 电子 封装材料［5--6］和 Al /SiC 电子封装材料［7］． 其中 Al / SiC 电子封装材料结合了 Al 基体的低密度、高导热 性及 SiC 的低膨胀、高强度性，具有轻质、高导热、低 热膨胀以及高比强度、比刚度、弹性模量等性能优 点，而且可通过 SiC 体积分数来调整膨胀系数，实现 与 GaAs 芯片和氧化铝基板的热匹配，可近净成形 形状复杂的构件，因此生产成本也较低，使其在微波 集成电路、功率模块和微处器盖板及散热板等领域 得到广泛应用［8--11］． Al /SiC 作为第三代电子封装材料［12］，常用来制 备其方法的有粉末冶金法( PM) 、无压或挤压浸渗 法、喷射沉积法、搅拌混合技术等． 但是，目前这些 制备方法生产 Al /SiC 电子封装材料存在一系列问 题: 粉末冶金法工艺程序多、周期长、制件的大小和 形状受到一定限制且致密度低; 浸渗法所需设备复 杂、成本较高且所制材料的残余应力也较大、孔隙率 也较高; 喷射沉积技术所需设备昂贵、孔隙率高、原 材料损失大等缺陷; 搅拌混合技术 SiC 增强颗粒的 体积分数受到限制，一般不超过 20% ． 本文首次采 用伪半固态触变成形法制备 SiCp /Al 电子封装材 料，利用伪半固态金属触变时液固易分离的特点，开 发了一种新型短流程、易操控且低成本的材料制备 工艺，并制备出三种不同 SiC 体积分数 Al 基电子封 装材料． 伪半固态触变成形法是一种新型的材料成形方 法． 其成形理论为: 当处于液、固两相共存的混合体 系受到外力作用时，材料内部的液相和固相就会出 现分别流动，一般液相流动的倾向大于固相; 当外力 增加到一定程度时，液相就会加剧流动，导致液、固 两相产生分离，液相从固相颗粒的间隙中压出，流向 无约束的自由表面，而固相颗粒则发生聚集［13］． 运用此法来制备 SiC 颗粒增强 Al 基电子封装 材料具有以下优势: ( 1) 通过控制 SiC 的体积分数 可调整电子封装材料的热膨胀系数． 改变滤液槽的 大小可控制电子封装材料中 SiC 的体积分数，从而 得到不同热膨胀系数的电子封装材料，也即通过此 法可调整电子封装材料的热膨胀系数; ( 2) 可得到 高 SiC 体积分数和高致密度的电子封装材料． SiC 颗粒的体积分数通过伪半固态挤压触变，可 达 63% ～ 75% ，其体积分数和复合材料的致密度都超 过了粉末冶金; ( 3) 可实现产品的净成形或近净 成形． 1 实验材料 实验材料为 SiC 颗粒增强 Al 基复合材料冷压 坯． 其中 SiC 颗粒( 其化学成分如表 1) 体积分数为 30% ，平均粒度为 47 μm; 基体材料采用平均粒度为 64 μm 纯工业铝粉，牌号 Al99. 70A［14］，其化学成分 列于表 2． 表 1 SiC 颗粒化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of SiC particles % SiC Fe 游离 Si O Ca 97. 25 ＜ 1. 18 ＜ 0. 98 ＜ 0. 33 ＜ 0. 26 表 2 基体材料的化学成分( 质量分数) Table 2 Chemical composition of the matrix material % Al Fe Si Cu 99. 81 0. 1071 0. 0702 0. 0005 2 实验方法 首先，采用粉末冶金的方法将体积分数 30% SiC 颗粒和 70% Al 粉进行机械混粉，后经冷压制坯 ( 见图 1) 和高温烧结、伪半固态触变成形等工序制 成不同 SiC 体 积 分 数 Al 基 电 子 封 装 材 料 ( 直 径 50 mm圆饼) ． 其中，在冷压制坯阶段，为了将铝粉表 面的氧化膜充分破碎，建立粉末间的塑性粘接和原 子扩散结合，并获得较高的致密度以阻止后续加热 过程中坯料的内部氧化，采用 195 MPa 较高的压制 压强; 烧结阶段，为了使冷压坯料加热均匀，采用 ·490·