電子封裝用SiCp/6063復(fù)合材料的制備與性能研究

修子揚，張強，王子鳴，蔣涵

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

電子封裝用SiCp/6063復(fù)合材料的制備與性能研究

修子揚，張強，王子鳴，蔣涵

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

目的 研究體積分數(shù)與熱處理工藝對SiCp/6063復(fù)合材料熱物理性能的影響規(guī)律，制備一種提高電子封裝熱管理能力的鋁基復(fù)合材料。方法 采用擠壓鑄造法制備體積分數(shù)分別為55%, 60%, 65%的SiCp/6063復(fù)合材料，對不同體積分數(shù)的鋁基復(fù)合材料分別進行熱處理，比較復(fù)合材料在壓鑄態(tài)、退火態(tài)和T6時效處理態(tài)的性能差異。結(jié)果 碳化硅顆粒均勻地分布在鋁基體中，碳化硅和鋁的結(jié)合良好，組織致密，沒有微小的空洞和明顯的缺陷。SiCp/6063復(fù)合材料在20～50 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，其平均熱膨脹系數(shù)約在10×10?6～13×10?6℃?1，導(dǎo)熱系數(shù)為200～220 W/(m·K)，已經(jīng)基本滿足電子封裝基板材料的性能要求。結(jié)論 隨著溫度的升高，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)呈先增加后短暫回落再增加的趨勢；復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨著增強體體積分數(shù)的增加而減小；退火處理后SiCp/6063復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯增加。

復(fù)合材料；電子封裝；碳化硅；熱導(dǎo)率

電子封裝技術(shù)為了滿足高密度、小型化、大功率IC的性能要求，對理想封裝材料特性提出如下要求：① 良好的導(dǎo)熱性能；② 相匹配的熱膨脹系數(shù)；③ 足夠的強度和剛度；④ 較好的機械加工性能；⑤ 盡可能低的材料成本。此外，針對在航空、航天和空間技術(shù)領(lǐng)域及民用移動通信設(shè)備方面的特殊應(yīng)用要求，還需要具有較低的密度[1—4]。

在封裝技術(shù)發(fā)展遠落后于IC發(fā)展的今天，隨著電子工業(yè)的大力發(fā)展，特別是大功率電子元件的廣泛應(yīng)用，提出的對電子封裝基板材料高熱導(dǎo)率、低熱膨脹的要求，必將使電子封裝基板材料成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一[5]。

傳統(tǒng)的封裝材料中，Cu和Al具有高熱導(dǎo)率，一般可用作功率器件的底座或熱沉，由于其膨脹系數(shù)較大，與陶瓷基片的熱匹配性能差，將引起器件整體的可靠性降低；Kovar合金的膨脹系數(shù)較小，并具有良好的焊接性能，但是熱導(dǎo)率低，且密度較大；Mo, W, W-Cu和Mo-Cu材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率都較合適，但是密度較大、可焊性差；Be-BeO復(fù)合材料性能優(yōu)異，但是有劇毒，價格昂貴，限制了材料的應(yīng)用。由此可見，這些材料無法兼顧電子封裝綜合性能的要求。

近年來，顆粒增強金屬基復(fù)合材料(PMMCs)由于其良好的強度、結(jié)構(gòu)剛度、尺寸穩(wěn)定性和熱物理性能，為設(shè)計師們提供了高溫下應(yīng)用的許多優(yōu)勢。通過改變增強體的種類、體積分數(shù)、粒徑配比、排列方式，或者基體合金的成分，或者熱處理工藝，就可以得到一系列多種不同性能的材料；通過添加高體積分數(shù)的增強體降低材料熱膨脹系數(shù)，完全可以做到同電子元器件材料（Si、GaAs等）CTE相匹配，同時又具有高的導(dǎo)熱性能和低密度[5,11—17]。

文中通過擠壓鑄造法制備高體積分數(shù) SiCp/6063復(fù)合材料，對不同體積分數(shù)的鋁基復(fù)合材料分別進行熱處理；系統(tǒng)探究體積分數(shù)、熱處理工藝等因素對SiCp/6063復(fù)合材料的微觀組織、力學(xué)性能和熱物理性能等影響規(guī)律，為制備符合電子封裝基板材料要求的鋁基復(fù)合材料提供依據(jù)。

1 實驗材料及方案

1.1 原材料

實驗材料采用擠壓鑄造法制備出體積分數(shù)分別為55%, 60%, 65%的SiCp/6063復(fù)合材料，基體材料為工業(yè)用6063鋁合金，增強體為平均粒徑30 μm的碳化硅顆粒粉末。復(fù)合材料經(jīng)過機械加工制備出各種尺寸的測試試樣。

擠壓鑄造法是將增強體顆粒粉末裝入模具中，在一定溫度下保溫制成具有一定形狀和體積分數(shù)的預(yù)制塊，隨后將熔融的鋁合金液倒入模具腔中，并加壓使鋁液強行滲透到多孔隙的預(yù)制塊中，然后冷卻凝固形成復(fù)合材料的一種制備方法，見圖1。

圖1 擠壓鑄造法示意圖Fig.1 Sketch map of squeeze casting process

1.2 熱處理工藝

所用復(fù)合材料的狀態(tài)分為壓鑄態(tài)、退火態(tài)和 T6時效處理態(tài)3種。根據(jù)6063合金的熱處理規(guī)范，對材料進行熱處理。復(fù)合材料熱處理工藝見表1。

表1 復(fù)合材料熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of composite material

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 Heat treatment curve

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

將未經(jīng)過熱處理的鑄態(tài)試樣研磨、拋光，得到復(fù)合材料的金相顯微照片，如圖3所示。SiC增強體顆粒幾何形狀呈不規(guī)則的凸多面體（金相上看是不規(guī)則多邊形），這種幾何形狀上的不規(guī)則主要是由制造、加工方法決定。這種SiC顆粒是由尺寸很大的高強度的SiC晶體經(jīng)破碎、研磨、篩選而成，在這個過程中，脆性的SiC經(jīng)反復(fù)多次的斷裂形成小顆粒，自然會有許多棱角。

圖3 不同體積分數(shù)的鑄態(tài)SiCp/6063復(fù)合材料金相Fig.3 Microstructure of as cast SiCp/6063 composite material of differfent volume fraction

SiC顆粒宏觀分布比較均勻，沒有明顯的顆粒團聚和偏聚，這有利于提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，從而增加材料的使用壽命，從而增加封裝器件的有效壽命；鑄態(tài)復(fù)合材料中SiC顆粒與Al基體結(jié)合緊密，致密的組織對于電子封裝基板用MMCs是很有利的，這不但能提高材料的導(dǎo)熱性能，還能提高材料的強度和彈性模量。觀察到的少量孔洞可能是在金相試樣制備中掉落了SiC顆粒而形成的孔洞，也可能是材料本身存在的氣孔。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)分析

實驗采用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試法——激光閃射法，該方法是一種測量高導(dǎo)熱材料與小體積樣品的技術(shù)，可直接測量材料的熱擴散系數(shù)，然后在已知樣品的比熱容和密度的情況下，通過計算求得導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值。SiCp/6063復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。

表2 SiCp/6063復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)Tab.2 Thermal conductivity values of SiCp/6063 Composites

圖4 SiCp/6063復(fù)合材料熱導(dǎo)率Fig.4 Thermal conductivity of SiCp/6063 composites

根據(jù)表2和圖4發(fā)現(xiàn)，退火處理使材料的熱導(dǎo)率大幅度增加。這主要是由于退火處理降低了基體合金中的內(nèi)應(yīng)力，減少了基體中的缺陷，從而使材料中的電子運動更加迅速。

時效處理會在一定程度上降低材料的熱導(dǎo)率，分析原其因，主要是因為時效處理后材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的G.P.區(qū)，造成基體合金鋁的晶格畸變，從而阻礙了材料內(nèi)部聲子和電子的自由振動，使聲子和電子的平均自由程降低，從而導(dǎo)致材料的熱導(dǎo)率下降。

目前，計算復(fù)合材料熱導(dǎo)率的理論模型主要有以下4種：

1) 混合定律(ROM)：

式中：λc,λm,λp分別表示復(fù)合材料、基體和增強體顆粒的熱導(dǎo)率；xm,xp分別為基體合金與增強體的體積分數(shù)。

2) 麥克斯韋(Maxwell)研究了兩相和多相混合物的導(dǎo)熱性能，得到了熱導(dǎo)率的表達式為：

式中：r為基體熱導(dǎo)率與增強體熱導(dǎo)率的比值，即r=λm/λp。

3) Hiroshi. Hatta和 Minoru. Taya等人基于Eshelby等效夾雜理論，綜合考慮了不同增強體形狀的影響，得到了復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率的一般形式。特別地，對于顆粒增強金屬基復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率計算公式為：

根據(jù)材料手冊中關(guān)于6063和SiC的數(shù)據(jù)，通過各模型計算得到復(fù)合材料熱導(dǎo)率，并與實測值進行比較，所得結(jié)果見表 3。表 3中的數(shù)據(jù)分別是 ROM,Maxwell, H-M 三種理論模型預(yù)測的和實際測量的熱導(dǎo)率。從表3可看出，雖然Maxwell模型與H-M模型建立的出發(fā)點不同，但預(yù)測結(jié)果幾乎相同。與實測值比較可以發(fā)現(xiàn)，上述兩模型的計算值都大于SiCp/6063復(fù)合材料熱導(dǎo)率的實測值，這主要是由于復(fù)合材料中的界面、微孔等缺陷造成其熱導(dǎo)率下降，可見復(fù)合材料性能的提高還有很大的空間。

表3 復(fù)合材料熱導(dǎo)率理論預(yù)測與實測值比較Tab.3 Comparison of theoretical and measured values of thermal conductivity of composite materials W/(m·K)

2.3 熱膨脹系數(shù)分析

用 NETZSCH Proteus對數(shù)據(jù)進行處理，并對復(fù)合材料的熱膨脹原始曲線進行處理，得到復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)曲線見圖5。

從圖5可以看出，隨著溫度的升高，3種體積分數(shù) 2種狀態(tài)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)都呈先升高、到300 ℃左右開始下降、再到 420 ℃左右又升高的趨勢，其熱膨脹系數(shù)的變化趨勢有別于金屬及其他復(fù)合材料膨脹系數(shù)的變化趨勢。其中鑄態(tài)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在300 ℃左右有明顯的尖峰。

圖5 SiCp/6063復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)Fig.5 Thermal expansion coefficient of SiCp/6063 composites

不同體積分數(shù)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)曲線見圖6，可以看出，對比 3種體積分數(shù)的復(fù)合材料，隨著增強體 SiC顆粒體積分數(shù)的增加，熱膨脹系數(shù)整體上呈減小趨勢，這一點在鑄態(tài)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)對比中尤其明顯。這是由于 SiC顆粒的膨脹系數(shù)較小，從而阻止了復(fù)合材料的熱膨脹。

不同狀態(tài)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)曲線見圖 7，可知，在大約 200 ℃之前的溫度區(qū)間，鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)較退火態(tài)的為低，退火態(tài)的熱膨脹系數(shù)增長較快，且鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)在 30～40 ℃區(qū)間出現(xiàn)小幅度的回落；當(dāng)溫度高于 200 ℃后，鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)快速增加并超過退火態(tài)；退火態(tài)熱膨脹系數(shù)在整個升溫區(qū)間內(nèi)都比較均勻，而鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)波動比較大，這可能是由于溫度的升高導(dǎo)致鑄態(tài)材料內(nèi)部應(yīng)力釋放，從而使得材料進一步膨脹。

圖6 不同體積分數(shù)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)曲線Fig.6 Thermal expansion coefficient curves of composites with different volume fractions

圖7 不同體積分數(shù)不同狀態(tài)下的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)曲線Fig.7 Coefficient of thermal expansion of composite materials with different states

3 結(jié)論

系統(tǒng)研究了3種顆粒體積分數(shù)的SiCp/6063復(fù)合材料在3種熱處理狀態(tài)下的導(dǎo)熱性能和熱膨脹性能，結(jié)果表明。

1) SiCp/6063復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達到了 210 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為 10.5×10?6℃?1，基本達到電子封裝用基板材料高熱導(dǎo)、低熱膨脹的要求。

2) SiCp/6063復(fù)合材料經(jīng)退火處理后，相較于鑄態(tài)其熱導(dǎo)率明顯增加；T6時效處理后，熱導(dǎo)率相比退火態(tài)增加較少，但仍滿足電子封裝的使用要求。

3) 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高，呈先增加接著減小后又增加的固定模式；SiCp/6063復(fù)合材料經(jīng)退火處理后，熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化較鑄態(tài)下的變化更穩(wěn)定，這是由于退火處理減少了材料中的缺陷，減小了擠壓鑄造過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使性能更加穩(wěn)定。

[1] 高尚通, 畢克允. 現(xiàn)代電子封裝技術(shù)[J]. 半導(dǎo)體情報,1998, 35(2): 9—13.GAO Shang-tong, BI Ke-yun. Modern Electronic Packaging Technology[J]. Semiconductor Information, 1998,35(2): 9—13.

[2] BARRETT J. Electronic Systems Packaging: Future Reliability Challenges[J]. Microelectron Reliab, 1998, 38:1277—1286.

[3] 劉文俊. 高密度高性能電子封裝技術(shù)[J]. 電子產(chǎn)品世界, 1998(8): 38—40.LIU Wen-jun. High Density and High Performance Electronic Package Technology[J]. Electronic Engineering &Product World, 1998(8): 38—40.

[4] 武高輝, 張強, 姜龍濤, 等. SiCp/Al復(fù)合材料在電子封裝應(yīng)用中的基礎(chǔ)研究[J]. 電子元件與材料, 2003, 22(6):27—29.WU Gao-hui, ZHANG Qiang, JIANG Long-tao, et al.Fundamental Study of SiCp/Al Composites in Electronic Packaging Applications[J]. Electronic Components &Materials, 2003, 22(6): 27—29.

[5] 張強, 孫東立, 武高輝. 電子封裝基片材料研究進展[J].材料科學(xué)與工藝, 2000, 8(4): 66—72.ZHANG Qiang, SUN Dong-li, WU Gao-hui. Recent Achievements in Research for Electronic Packaging Substrate Materials[J]. Materials Science and Technology,2000, 8(4): 66—72.

[6] KEVIN A M, YOGENDRA K J. High Performance Packaging Materials and Architectures for Improved Thermal Management of Power Electronics[J]. Future Circuits Int, 2001(7): 45—49.

[7] 龍樂. 電子封裝中的鋁碳化硅及其應(yīng)用[J]. 電子與封裝, 2006, 6(6): 16—20.LONG Le. AISiC Metal Matrix Composites and Its Application in Microelectronics Packaging[J]. Electronics and Packaging, 2006, 6(6): 16—20.

[8] 吳泓, 王志法, 鄭秋波, 等. 銅基電子封裝復(fù)合材料的回顧與展望[J]. 中國鉬業(yè), 2006, 30(3): 30—32.WU Hong, WANG Zhi-fa, ZHENG Qiu-bo, et al. The Review and Prospect of Copper-Mstrix Com Posites for Electronic Packaging[J]. China Molybdenum Industry,30(3): 30—32.

[9] 陳國欽. 電子封裝銅基復(fù)合材料的制備與性能研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.CHEN Guo-qin. Fabrication and Properties of Copper Composites for Electronic Packing Application[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.

[10] 江東亮, 李龍土, 歐陽世翕等. 中國材料工程大典第八卷[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.JIANG Dong-liang, LI Long-tu, OUYANG Shi-xi, et al.Chinese Material Engineering Canon Vol.8[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2006.

[11] WEYANT J, GARNER S, JOHNSON M, et al. Heat Pipe Embedded AlSiC Plates for High Conductivity-low CTE Heat Spreaders[C]// Thermal and Thermo Mechanical Phenomena in Electronic Systems, 2010: 1—6.

[12] 何鵬, 林鐵松, 杭春進. 電子封裝技術(shù)的研究進展[J].焊接, 2010(1): 25—29.HE Peng, LIN Tie-song, HANG Chun-jin. Development of Electronic Packaging Technology[J]. Welding & Joining, 2010(1): 25—29.

[13] LIU X, CAO D F, MEI H, et al. Effect of Particle Shapes on Effective Strain Gradient of SiC Particle Reinforced Aluminum Composites[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013: 419.

[14] 黃強, 顧明元. 電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J]. 電子與封裝, 2003(3): 22—25.HUANG Qiang, GU Ming-yuan. Research Progress of Composites for Electronic Packaging Materials[J]. Electronics and Packaging, 2003(3): 22—25.

[15] JOHNSTON C, YOUNG R. Advanced Thermal Management Materials[J]. International New Microsystems MEMs, 2000, 2(1): 14—15.

[16] ZWEBEN C. Advances in Composite Materials for Thermal Management in Electronic Packaging[J]. JOM, 1998,50(6): 47—51.

[17] HILLS Dix. Metal Mtrix Composites Cools Avionics[J].Electron Packaging Prod, 1994, 34(12): 21.

Preparation and Properties of SiCp/6063 Composites for Electronic Packaging

XIU Zi-yang,ZHANG Qiang,WANG Zi-ming,JIANG Han
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The paper aims to study influences of volume fraction and heat treatment process on thermo physical properties of SiCp/6063 composite, and to prepare an aluminum matrix composite for improving the thermal management ability of electronic packaging. SiCp/6063 composites with volume fractions of 55%, 60% and 65% were prepared by squeeze casting. Heat treatment of aluminum matrix composites with different volume fraction was carried out to compare the performance differences of the composite in the die casting, annealed and T6 aging treatments. SiC particles were uniformly distributed in the aluminum matrix, and the silicon carbide and aluminum had good bonding. The composite material had compact structure, no tiny cavities and obvious defects. The average thermal expansion coefficient of SiCp/6063 composites was about 10×10?6～13×10?6℃?1at the temperature range of 20～50 ℃. The thermal conductivity was about 200～220 W/(m·K), which basically met the requirements of the electronic packaging substrate materials. With the increase of temperature, the thermal expansion coefficient of the composite increases first and then drops after transient increase; the thermal expansion coefficient of the composites decreases with the increase of volume fraction; thermal conductivity of SiCp/6063 composites increases significantly after annealing treatment.

composite material; electronic packaging; SiC; thermal conductivity

2017-11-16

修子揚（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為電子封裝用復(fù)合材料。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.011

TB331；TN405

A

1674-6457(2018)01-0091-06