碳化硅颗粒增强铝基复合材料(AlSiC)
一、碳化硅颗粒增强铝基复合材料(AlSiC)
铝碳化硅AlSiC是一种颗粒增强金属基复合材料,采用Al合金作基体,按设计要求,以一定形式、比例和分布状态,用SiC颗粒作增强体,构成有明显界面的多组相复合材料,兼具单一金属不具备的综合优越性能。 中文名 铝碳化硅 外文名 AlSiC 应用领域 航空航天,微波集成电路,功率模块 Si含量 70wt% SiC体积占比 50%-75% AlSiC研发较早,理论描述较为完善,有品种率先实现电子封装材料的规模产业化,满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的"轻薄微小"的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装分析作用极为凸现,成为封装材料应用开发的重要趋势。
封装金属基复合材料的增强体有数种,SiC是其中应用最为广泛的一种,这是因为它具有优良的热性能,用作颗粒磨料技术成熟,价格相对较低;另一方面,颗粒增强体材料具有各向同性,最有利于实现净成形。AlSiC特性主要取决于SiC的体积分数(含量)及分布和粒度大小,以及Al合金成份。依据两相比例或复合材料的热处理状态,可对材料热物理与力学性能进行设计,从而满足芯片封装多方面的性能要求。其中,SiC体积分数尤为重要,实际应用时,AlSiC与芯片或陶瓷基体直接接触,要求CTE尽可能匹配,为此SiC体积百分数vol通常为50%-75%。 此外,AlSiC可将多种电子封装材料并存集成,用作封装整体化,发展其他功能及用途。研制成功将高性能、散热快的Cu基封装材料块(Cu-金刚石、Cu-石墨、Cu-BeO等)嵌入SiC预制件中,通过金属Al熔渗制作并存集成的封装基片。在AlSiC并存集成过程中,可在最需要的部位设置这些昂贵的快速散热材料,降低成本,扩大生产规模,嵌有快速散热材料的AlSiC倒装片系统正在接受测试和评估。另外,还可并存集成48号合金、Kovar和不锈钢等材料,此类材料或插件、引线、密封环、基片等,在熔渗之前插入SiC预成型件内,在AlSiC复合成形过程中,经济地完成并存集成,方便光电器件封装的激光连接。
采用喷射沉积技术,制备了内部组织均匀、性能优良、Si含量高达70wt%(重量百分率)的高硅铝合金SiAl封装材料,高硅铝合金的CTE与Si、GaAs相匹配,也可用于射频、微波电路的封装及航空航天电子系统中,发展为一种轻质金属封装材料。 铝碳化硅(AlSiC)金属基热管理复合材料,是电子元器件专用封装材料,主要是指将铝与高体积分数的碳化硅复合成为低密度、高导热率和低膨胀系数的封装 材料,以解决电子电路的热失效问题。
1、AlSiC具有高导热率(170~200W/mK)和可调的热膨胀系数(6.5~9.5×10-6/K),因此一方面AlSiC的热膨胀系数与半导体芯片和陶瓷基片实现良好的匹配,能够防止疲劳失效的产生,甚至可以将功率芯片直接安装到AlSiC基板上;另一方面AlSiC的热导率是可伐合金的十倍,芯片产生的热量可以及时散发。这样,整个元器件的可靠性和稳定性大大提高。
2、AlSiC是复合材料,其热膨胀系数等性能可通过改变其组成而加以调整,因此电子产品可按用户的具体要求而灵活地设计,能够真正地做到量体裁衣,这是传统的金属材料或陶瓷材料无法作到的。
3、AlSiC的密度与铝相当,比铜和Kovar轻得多,还不到Cu/W的五分之一,特别适合于便携式器件、航空航天和其他对重量敏感领域的应用。
4、AlSiC的比刚度(刚度除以密度)是所有电子材料中最高的:是铝的3倍,是W-Cu和Kovar的5倍,是铜的25倍,另外AlSiC的抗震性比陶瓷好,因此是恶劣环境(震动较大,如航天、汽车等领域)下的首选材料。
5、AlSiC可以大批量加工,但加工的工艺取决于碳化硅的含量,可以用电火花、金刚石、激光等加工。
6、AlSiC可以镀镍、金、锡等,表面也可以进行阳极氧化处理。
7、金属化的陶瓷基片可以钎焊到镀好的AlSiC基板上,用粘结剂、树脂可以将印制电路板芯与AlSiC粘合。
8、AlSiC本身具有较好的气密性。但是,与金属或陶瓷电子封装后的气密性取决于合适的镀层和焊接。
9、AlSiC的物理性能及力学性能都是各向同性的。
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