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1、新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究.txt看一个人的的心术，要看他的眼神；看一个人的身价，要看他的对手；看一个人的底牌，要看他的朋友。明天是世上增值最快的一块土地，因它充满了希望。新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究 /林锋等 107 新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究 3林锋 1,冯曦 2,李世晨 2,任先京 1,贾贤赏 1 (1北京矿冶研究总院金属材料研究所 ,北京 100044 ;2中南大学材料科学与工程学院 ,长沙 410083)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。在传统封装材料已不能满足现代技术发展需要的情况

2、下 ,新型硅基铝金属复合材料脱颖而出 ,以其优异的综合性能成为备受关注的焦点。高体积分数硅基体带来的低热膨胀系数能很好地与芯片相匹配 ,连通分布的金属 (铝)确保了复合材料的高导热、散热性 ,两者的低密度又保证了复合材料的轻质 ,尤其适用于高新技术领域。重点探讨了硅基铝金属铝复合材料的主要制备技术及其组织性能机理 ,并对其未来发展作出展望。关键词电子封装硅铝金属硅基复合材料中图分类号 : TB331 ; T G146文献标识码 :A Research on High Performance Novel Electronic Packaging Materials of Silicon2base

3、d Aluminum LIN Feng1, FENGXi2,LIShichen2,REN Xianjing1,JIA Xianshang1 IC technology. Unlike the traditional electronic materials , silicon2based light metal composite materials have low CET , high TC and low density at the same time , and become the potential electronic packaging materials , especia

4、lly in avia2 tion and astronavigation areas. (1Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy , Beijing 100044 ; 2Institute of Material Science and Engineering ,Central South University , Changsha 410083) Abstract Electronic packaging materials have been requested to meet the needs of t

5、he rapid development of In this paper , the main manufacture technologies , the relations of its structure and properties and the inner mechanics of silicon2based light metal materials are viewed. The future of the materials is also forecasted. Key words electronic packaging , silicon , aluminum met

6、al , silicon matrix composite 求57。新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料显示了无可0引言比拟的优异性能 :高体积分数硅基体带来的低热膨胀系数很好在微电子集成电路以及大功率整流器件中 ,密集的无数微地解决了与芯片相匹配的问题 ,连通分布的铝金属保障了高的小尺寸的元件产生大量热量 ,因芯片与封装材料之间热膨胀系导热散热 ,两者的低密度同时保证了复合材料的轻质性能 8。 数的不匹配而引起的热应力疲劳以及散热性能不佳而导致的芯片过热已成为微电子电路和器件的主要失效形式。电子元件的1硅基铝金属电子封装材料的国内外研究现状封装成为了制约系统性能的瓶颈问题。 30 %的芯片计

7、算能力受近年来 ,世界各国都开始致力于新型电子封装复合材料的到封装材料的限制 ,其影响已和芯片同等重要 1, 2。电子封装研究与开发 ,期望新的材料能够满足现代理想封装的多种要求。材料作为一种底座电子元件 ,用于承载电子元器件及其相互联硅基铝金属复合材料成为一种有广阔应用前景的电子封装材线 ,因此封装材料必须和置于其上的元器件在电学性质、物理性料 ,特别是在航空航天、空间技术和便携式电子器件等高技术领质、化学性质方面保持良好的匹配 3,4 :良好的导热性能 ;较低域。欧盟成立了由 BRITE/ EURAM研究方案 (B E25095293)领的热膨胀系数 ,即与 Si和 GaAs相匹配 ;高频

8、特性良好 ,即低的导的协作项目 ,致力于研制这种轻质、低膨胀的硅基铝金属复合介电常数和低的介质损耗 ;强度和刚度高 ,即对芯片起到支撑和材料 7 ,9。日本住友电器公司用传统的粉末冶金方法生产的 Si2 保护的作用 ;良好的加工成型和焊接性能 ;密度小 ,以减轻器件60wt %Al材料 CMSHA240已经实现商品化 ,但其综合性能指-的重量 ;化学性质稳定。标不很理想 (CTE:15. 4 10 6/ K;TC:138 W/ (m K) ;密度 : 传统的可伐、钼铜等电子封装材料已经越来越难以适应现2.53 g/cm3) 8。美国最近采用喷射沉积和液体金属熔渗等方代先进微波和集成电路技术的高

9、速发展对封装的各项要法制备了铝含量为 30 %70 % (wt)的硅基铝金属电子封装复 3北京矿冶研究总院科研基金资助项目 ( YG22005232) ;国防科工委民口配套项目 (M KPT2042107)林锋 :男 ,1978年生 ,工程师 ,硕士 ,主要从事功能涂层、薄膜及新型电子封装材料的研究工作 :010*E2mail : mse_ lin yahoo. com. cn. 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 108 材料导报 2006年 3月第 20卷第 3

10、期 合材料 ,密度可达 2. 5g/ cm3左右 ,并且具有良好的使用性能和加工成型性能 9。此外 ,德国和俄罗斯也有类似报道。目前 ,技术最成熟的是英国的 Osprey公司。根据 Jacobson等的报道 , Osprey公司用喷射沉积加热等静压方法制备了内部组织结构均匀、性能优良、硅含量高达 70wt %的硅基铝金属电子封装材料 ,并成功地用于航天微波电路 10 。Osprey公司这一典型应用的 E7硅基铝金属复合材料 ,硅含量 70wt %,CTE 7. 4 -10 6/ K,TC 120 W/ (m K) ,密度 2.4 g/cm3。国内相关方面研究尚属罕见 ,目前主要是中南大学材料科

11、学与工程学院、北京有色金属研究院进行了相关的实验和研究工作 ,并且已经取得了突出的成果 1113 。 2硅基铝金属电子封装材料制备机理研究硅基铝金属复合材料的发展和应用并不迅速 ,主要原因是制备方法较复杂、成本高、存在界面问题等。众多学者们在诸如 MMC的有效制备方法、硅基体与金属间的界面反应规律、控制界面反应的途径、界面微观结构、界面结构特性对材料性能的影响以及界面结构与制备工艺过程的关系等方面开展了大量的研究工作 14 ,15 。随着硅基金属复合材料所要求使用性能的不断提高 ,硅基金属复合材料的制备技术得到了新的发展。迄今 ,硅基铝金属材料的制造方法归纳起来主要有以下几种 :喷射沉积法 ;

12、压力熔渗法 ;粉末冶金法 ;真空热压法。结合现有的实验结果及国内外的研究结论表明 :硅基铝金属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 ,因此选择合适的制备工艺成为关键 16 ,17 。 2. 1喷射沉积方法喷射沉积方法是 20世纪 70年代后期至 80年代由英国 Osprey公司开始在工业上实际应用的。喷射沉积制备硅基铝金属电子封装材料的原理是 :首先将硅及铝金属坯料感应加热至熔化 ,之后熔体通过导流管流出 ,利用高压惰性氮气气流将液态金属雾化 ,形成直径约 40m雾滴的喷射流 ,雾滴冷凝到旋转的接收基板上。在快速冷却的条件下 ,雾滴迅速凝固 ,形成细小的各向同性的微观结构。这种方

13、法将制粉和复合过程一次完成 ,缩短了工艺流程 ,降低了生产成本 ,喷射沉积制备硅基铝金属复合材料的装置如图 1所示。产品可连续生产 ,直径达 25cm、重量 20kg ,硅的含量偏差能控制在 2wt %。由于惰性气体的保护 ,减轻了铝粉氧化膜对复合材料性能的影响。图 1硅基铝金属复合材料喷射沉积装置图 Fig. 1Device of spraying deposition of silicon based aluminum composite materials喷射沉积方法存在的主要缺点是 :成本较高 ,沉积速度较慢 ;关键工艺参数如气流速度、液流直径、熔体温度等难以控制 ,一般只能凭经验把握

14、 ;由于粉体喷射中的流体动力学不稳定性及飞行方式造成陶瓷颗粒分布不均匀 ,只能通过改变喷雾参数和后续工艺来减小或消除这种不均匀性 ;喷射沉积制备的半成品孔隙度大约为 5%,必须经过二次加工 ,即喷射沉积后再进行热等静压加工 ,最终产品的孔隙度方可减少到 1%。 2. 2加压熔渗方法加压熔渗法是通过先制备一定密度、强度的多孔硅基体骨架 ,再渗入熔点比其低的铝金属填充骨架。这一工艺的理论基础是在铝金属熔液润湿多孔基体的毛细管力作用下 ,金属熔液沿颗粒间隙流动填充多孔骨架孔隙 ,从而获得综合性能优良的硅基铝金属复合材料。然而 ,在后续的硅、铝金属液相烧结时 ,液态铝金属不能均匀分布到多孔骨架的硅颗粒

15、表面 ,难以实现烧结致密化。所以 ,必须施加外力使液态金属强行进入预制的多孔硅基体骨架内 ,压力一直施加到凝固结束 ,即加压熔渗。通过此方法适当控制熔渗参数和改善润湿条件 ,能使液态金属均匀填充多孔骨架的所有孔隙 ,制备出致密度高、烧结性能好的硅基铝金属复合材料。硅基铝金属加压熔渗方法制备的装置如图 2所示。图 2硅基铝金属复合材料加压熔渗装置图 Fig. 2Device of pressure fluxing infiltration of silicon based aluminum composite materials对于加压熔渗法来说 ,预制多孔骨架的制备是获得高性能复合材料以及发展

16、净成型工艺的关键。获得不同体积分数和孔径的骨架成为工艺难点。另外 ,加压熔渗产品需要进行加工以除去多余的金属 ,增加了机加工费用、降低了产品成品率。 2. 3粉末冶金方法对于硅基铝金属复合材料 ,最重要的也是最早应用于生产的制备方法就是粉末冶金法。粉末冶金法不受基体与第二相的限制 ,可以准确地调节第二相的含量。通过改进硅颗粒与金属粉末的粒度搭配 ,可制备硅基体相含量较高、分布均匀的硅基铝金属复合材料。而且 ,用这种方法制备的材料一次成形 ,少切削加工 ,克服了 MMC往往难以加工的缺点。其一般的加工过程为 :先把硅基体粉末和金属粉末均匀混合 ,混合可以是干混或在悬浮液中进行。粉末混合后冷压得到

17、半成品 ,其致密度大约为 80 %,最后通过烧结工艺得到高致密度的硅基铝金属复合材料。当然 ,粉末冶金方法也存在一些缺点 ,如硅含量会受到这种制备方法的约束 ,当含量过高时 ,复合材料容易出现各种组织缺陷甚至完全不能成形。一般认为 ,用粉末冶金方法制备的硅基铝金属复合材料中硅基体含量不宜超过 40 %50 %;粉末冶金法工艺过程中的参数难以精确控制 ;铝金属粉末表面稳定的氧化膜在普通的惰性气氛烧结中不能被还原 ,它将对烧结态材料的组织结构和物理机械性能产生不利影响。 2. 4成型真空热压方法真空热压方法是粉末冶金中一种强化烧结方法 ,与普通粉 . 1994-2007 China Academi

18、c Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新型硅基铝金属高性能电子封装复合材料研究 /林锋等 109 末冶金烧结方法相比 ,具有能在较低温度下制备非常致密的材料 ,以及材料组织均匀性好、强度高、氧含量低等优点。具体工艺为 :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 (一般为 100400 ),经过较短时间的热压形成致密均匀的制品。真空热压可以将粉末脱气、压制和预烧结 3个工序一次完成 ,在较低压力下迅速获得冷压烧结工艺所达不到的材料密度和结合强度。因此 ,该工艺为实现硅基铝金属材料的进一步致密化提供

19、了可能。真空热压方法制备硅基铝金属复合材料的装置示意图如图 3所示。图 3硅基金属复合材料真空热压制备装置图 Fig. 3Device of vacuum heat pressing of silicon based aluminum composite materials真空热压工艺与常规压制工艺比较 ,最大的不同点在于热压是在一定真空条件和温度下对合金粉末进行压制 ,随着压制温度的升高 ,粉末的加工硬化速率降低 ,提高了合金粉末的塑性变形能力。另外 ,润滑剂的加入 ,改变了粉末的表面性能 ,降低了粉末压制过程中的粉末与粉末之间、粉末与模具壁之间的摩擦力 ,改变了两者之间的摩擦机理。一方面改

20、变了粉末与粉末之间的润滑性能 ,促进了小粉末填充到大粉末的间隙中。另一方面避免了粉末间的搭桥效应 ,缩小了孔隙尺寸 ,并提高了孔隙的均匀度 ,而且 ,提高了有效压力 ,从而提高了材料的均匀性和密度。 3硅基铝金属电子封装材料组织结构及性能作为电子封装用硅基铝金属复合材料的理想组织结构应高度致密 ,其中弥散均匀的硅颗粒形成连续骨架。形成的硅骨架决定 CTE值的变化 ,铝金属有利于 TC的提高。良好润湿的界面结合使得复合硅基铝金属保留了两相各自的优势 ,硅、铝金属材料的物理化学性质如表 1所示。表 1硅和铝材料的物理化学性质 Table 1Physicochemical property of S

21、i and Al materials熔点 比热 ,J/ (g K) 密度 热膨胀系数 热导率 K(283373 K)g/ cm310 -6/ (20 )W/ (m K) (20 ) Si 1683 0.713 2.3 4.1 150 Al 667 0.905 2.7 23.6 230 3. 1硅基铝金属复合材料的组织结构弥散均匀的硅颗粒形成连续骨架 ,而凝固铝金属围绕硅颗粒间隙 (包括间隙点和烧结颈侧隙 ),呈连续网络分布 ,如图 4所示。对比喷射沉积制备的复合材料 ,真空热压烧结、普通压制烧结制备的硅基铝金属复合材料的组织结构如图 5所示。可见 ,真空热压方法制备的复合材料组织基本呈颗粒均匀

22、分布 ,铝金属相呈现网络包覆状 ,组织较喷射沉积 CE7合金更粗大更致密 ,有利于提高材料的热导性能 ,孔隙率低 ,且没有出现普通压制烧结情况下宏观组织不均匀、颗粒聚集连接形成长条状初晶硅的现象 18 。图 4理想状态硅基铝金属复合结构 Fig. 4Construction of perfect state of silicon based aluminum composite materials图 5不同工艺的硅基铝金属复合材料组织结构对比 ( 100 ) Fig. 5Microstructural comparison of silicon based aluminum composite

23、 materials with different fabricating processing 3. 2硅基铝金属复合材料的热膨胀性能-硅的 CTE为 4. 1 10 6/K,大大低于铝的 CTE 23. 6 -10 6/K,大量的低膨胀 Si颗粒将对基体 Al的热膨胀起到有效的锁定限制作用 ,所以颗粒的体积分数很大程度上决定了复合材料的热膨胀系数。当然 ,前提是界面为良好的润湿结合 ,因为强的界面结合力才能有效约束颗粒附近基体的塑性变形 ,颗粒与基体的结合越紧密 ,则这种约束越强 ,基体的膨胀变形量将越小。硅基铝金属复合材料的理论 CTE值由代表材料热膨胀性能下限的 Turner模型计算得

24、出 : c = pV pKp +mV mKm (1)V pKp + V mKm 其中 :、V、K分别表示热膨胀系数、物相体积分数和体弹性模量。 Turner模型假定复合材料在热应力下发生均匀的应变 ,每一相的尺寸变化都是同步的 ;材料内所有的微应力均为纯粹的静态张应力和压应力 ,忽略剪切应变的影响。可见 ,符合复合材料性能加和规律的材料热膨胀系数是随硅基体含量的增加而下降的。对比硅基铝金属电子封装材料热 . 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 110 材料导报 20

25、06年 3月第 20卷第 3期 膨胀系数随硅基体含量变化的规律中的实验值和理论值 (图 6)发现 ,实验值均高于理论值 ,这是由于实际上增强体颗粒的形状、含量、延性相是否连续分布、界面结合情况、残余应力、孔洞以及颗粒的断裂行为等诸多因素都会影响到复合材料的热膨胀系数 19 ,20 。图 7硅基金属复合材料导热性能实验值与模型理论值对比 Fig. 7Comparison of experiment and model theory value of silicon based aluminum composite materials thermal conductivity property图6

26、硅基铝金属复合材料热膨胀性能实验值与模型理论值对比Fig. 6Comparison of experiment and model theory value of silicon based aluminum composite materials CTE property 3. 3硅基铝金属复合材料的热导性能硅基铝金属复合材料的热导率对组织结构非常敏感,它不仅与硅基体和铝金属的导热性能以及硅的含量直接相关,同时,硅基铝金属还受硅颗粒的尺寸、分布的影响。铝的热导率为230 W/ (m K) ,在硅基铝金属复合材料中铝充当了导热相的作用。但事实上,现有各类制备工艺中所得的最佳硅基铝金属材料的热导

27、率也仅为177 W/ ( m K) ,这主要是由于复合材料界面存在热阻。假设高温液相烧结过程中,基体金属形成均匀、完整连通网状结构,复合材料热导性能随硅颗粒含量的变化规律可采用German理论模型计算: Qcom =R2 QAl + (1 -2 R) 2 QSi QA l QSi (4 R -4 R2 -R2 ) 3 2 RQSi + (1 -3 2 R) QAl (2)其中:Qi为各组元的热导率,参数R与铝金属相体积分数的关系由非线性最小二乘法进行参数回归得出:R = 0. 0113 + 1. 58V Al -1. 83V 3/ 2 Al + 1. 06V 3 Al (3)根据上述理论模型算

28、得的不同硅含量下材料热导率理论值与实验所得真实值的对比如图7所示。随着材料中硅相含量的增加,材料的热导率呈下降的趋势。但实验值偏离German模型理论值的程度较大。这主要是由硅基铝金属界面结合不理想,以及硅颗粒大小、分布不均匀,金属铝连通不完全所造成。如果增强体和基体界面结合达到理想的状态,不存在几何界面或晶体缺陷对声子和自由电子的散射,那么界面热阻就为零。实际上复合材料的界面是不可能达到理想状态的。当热流穿过金属2非金属界面时,由于界面热阻的存在必然在界面两端产生温差。非金属本身的声速(声子频率和德拜温度)越高,与金属的相容性越差,金属2非金属的界面热阻越高。因此界面成为材料内部热阻源,界面结合越差,界面越多,界面热阻越大,复合材料热导率越低。并且,由于气体导热系数很低,材料内部的残留孔隙总会较大程度地降低材料的导热能力,导热性能受孔隙度影响而大大下降。另外,硅颗粒的烧结连接有时会阻塞铝金属连通通道,导致材料的热导性能明显下降。因此使增强相均匀分布,高导热基体形成完整连通的网络状结构对提高材料热导性能至关重要2123 。4总结与展望目前电子封装材料基本上存在性能不稳定或综合性能指标不能完全满足要求等问题。新型硅基铝金属电子封装复合材料具有传统电子封装材料难以达到的低膨胀、高热导