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