碳化硅銅基電子封裝材料的研究進展

周虎健，孟玲玉，唐 彪，2＊

（1.佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.教育部金屬耐磨材料及表面技術工程研究中心，黑龍江 佳木斯 154007）

近年來，隨著電子信息的迅速發展，集成芯片系統集成度和運行速度已經得到了大幅度的提高，導致芯片系統因升溫而造成失效的可能性不斷加大，因此，開發出一種密度高且散熱功率高的電子封裝材料迫在眉睫。為了研發出高性能的電子封裝材料，在過去幾十年里，學術界和工業界基于電子封裝材料的使用、燒結溫度及制備方法等方面做出了大量研究工作。目前關于復合材料電子封裝材料研究的文獻很多，但是還存在一些問題。回顧了近幾十年銅基復合材料的制備，研究銅基復合材料的應用現狀，分析了銅基復合材料的特性。針對未來的發展趨勢，預測了碳化硅銅基電子封裝材料未的應用前景，以期望能為我國金屬制造業的相關工作提高一些啟示[1]。

1 碳化硅銅基電子封裝材料的應用現狀

電子封裝[2]是使內部的芯片信號傳輸到各個端口，并且讓輸入端口由內向外過鍍，從而保證信號可以正常傳輸。對器件進行電子封裝的密封保護在一定程度上可以阻擋周圍環境對于材料影響，除了對外部有影響之外，對內部而言，電子封裝能夠將芯片上聚集的熱量傳輸到外界，起到散熱的作用。因此，新一代電子封裝材料需要有更好的導熱性，高溫硬度，耐蝕性以及良好的韌性。

1.1 碳化硅銅基電子封裝材料基體的應用

金屬基電子封裝材料其基體一般為金屬鋁、銅及其合金。純銅雖然有良好的導電性、導熱性以及塑性變形能力，但是其強度、硬度和耐磨性較差，熱膨脹系數約為17×10-6K-1，為了降低其熱膨脹系數，得到良好性能的電子封裝材料，將金剛石顆粒、碳化硅顆粒、碳纖維等熱膨脹系數與密度均較低的增強相與銅基復合得到碳化硅銅基復合電子封裝材料，該材料同時兼備了金屬銅的性能和碳化硅的優點，使得以銅為基體的復合材料更有希望成為新一代電子封裝材料。但是由于SiCp/Cu間的界面反應很難控制，導致界面熱阻大大降低導熱性能，所以其有效熱導率并未提高，而如何改善SiCp與Cu間的濕潤性、控制界面反應，也成了現在電子封裝領域的一大熱點方向。

1.2 碳化硅銅基電子封裝材料增強體的應用

金屬基電子封裝材料的增強相主要為金屬鎢、鉬，碳纖維、金剛石和陶瓷等。其中，以金屬顆粒W、Mo為增強相的第一代金屬基電子封裝材料，也是目前應用最為廣泛的金屬基電子封裝材料。現階段在我們所知所用的這些以銅為基體的復合材料中，SiC增強銅基復合材料是研究的熱點，特別是其中的SiCw和SiCp增強復合材料，其非長纖維增強才是復合材料未來研究和發展的主要前景。而國內外對于此方面的研究可以說非常積極，香港城市大學Tjong.S.C等制備SiC增強銅基復合材料是利用了熱等靜壓法完成的，在制備完成后檢測了復合材料的屈服強度、耐磨性和硬度。

2 碳化硅銅基復合材料的常見制備方法

SiC/Cu復合材料制備的主要途徑有：粉末冶金法、熔體浸滲法、放電等離子燒結法。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法制備銅基碳化硅是通過金屬銅粉末和增強體碳化硅作為原料，經過冷壓成形和熱壓燒結，制造出復合材料。除了上述工藝，在一定條件下可以省去冷壓成型制生胚的步驟，直接進行熱壓燒結同樣可以獲得顆粒碳化硅銅基復合材料。

王春華通過粉末冶金法，對其性能進行研究發現采用直接混合法和電導真空熱壓燒結工藝制備SiC/Cu復合材料，其適宜的工藝參數是700℃，30MPa～40MPa，5min～10min。李春月等采用粉末冶金法制備的電子封裝材料，其在950℃下進行真空燒結2.5h后保溫，所得到的材料經過密度的測定，材料的密度只能達到88.7%，隨后再次處理該材料，進行復燒處理，溫度保持950℃、壓力為400MPa，結果顯示密度為90%以上。

2.2 熔體浸滲法

熔體浸滲法第一步是先把增強相預制成形，第二步是將合金熔體倒入，從而在熔體的毛細現象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預制體間隙而達到復合化的目的。按照施壓方式可以分為壓力浸滲、無壓浸滲和負壓浸滲三種。

壓力浸滲法最早是由美國鋁業公司開發的，是通過真空壓鑄法制備高體積分數的SiC/Al復材料獲得成功，因為其具有價格低廉、性能優異等特點，因此已經廣泛應用于電子封裝材料的商業出售中；張廣安等人采用擠壓浸滲法制備了短碳纖維增強鋁基復合材料，研究了浸滲壓力、液澆注溫度、纖維預熱溫度等因素對復合材料組織的影響。結果表明：鋁液澆注溫740℃～800℃，預制塊預熱溫度350℃～400℃，浸滲壓力2MPa～5MPa是制備復合材料最合適的工藝參數。

無壓浸滲是將高溫下熔融金屬通過毛細管效應浸滲到預制體中。該方法設備簡單、成本低，但增強相和金屬基體之間的潤濕性依舊是個大問題。1986年，美國Lanxide公司在采用直接金屬氧化法制備Al2O3基復合材料的工藝基礎上提出了合金熔體自浸滲法(無壓浸滲法)。結果表明，隨Al2O3含量增加，復合材料的楊氏模量、強度均有所提高。

負壓浸滲即真空壓力浸滲法，通過將增強相預制塊放在預制模具中，抽真空并通入保護氣氛，將氣體按一定壓力注入熔煉爐，直至金屬液體完全浸滲預制體，從而復合材料。該方法最大的特點是適用于制備高精細復合材料，可以大規模生產。徐志峰采用真空變壓力浸滲法制備高體積分數SiCp/Al復合材料。結果表明，該方法具有良好的滲流和凝固條件，避免了氣體和夾雜物的裹入等問題。

2.3 放電等離子燒結法

SPS是利用放電等離子體進行燒結的一種新型材料制備。與傳統燒結方法相比，SPS具有升溫快，節能環保等優點，而且最終樣品均勻，密度高。缺點則是不能批量生產。

許彬彬等人將SiC和Cu粉稱重配比，用SPS設備燒結。結果表明：隨著SiC體積分數的減少(從70%到50%)，材料致密度逐漸提高；隨著SiC粒徑的減少，材料的致密度也提高。在材料未達到完全致密的情況下，材料的熱導率主要受致密度的影響。

3 碳化硅銅基電子封裝材料的研究現狀

3.1 碳化硅銅基復合材料的性質

SiC/Cu復合材料具有250-325W/mK高的熱傳導系數和在8.0-12.5ppm/℃范圍內可調節的熱膨脹系數等一系列的高溫高導性能，具有較強的適應性和廣闊的應用前景，只是界面反應和膨脹系數的不匹配限制了這些性能，因此對SiC/Cu復合材料的研究遠沒有對SiC/Al復合材料那么早和廣泛。

根據Rado報道，早在1969年就有對SiC-Cu系統的潤濕和反應得出結果，高真空、1100℃下Cu在α-SiC界面的潤濕角e=1400，同時有Cu-Si固溶體和石墨生成。研究結果表明，SiC-Cu系統反應包括Si溶解于液相Cu中，同時形成石墨；而純Cu和Cu-Si合金則能更好地潤濕SiC(θ<90°)，然而，正是由此過程形成的石墨，降低了Cu對SiC潤濕性。

根據以色列科學家Pelleg于1996年的報道，碳化硅銅基復合材料體系的研究也就近一二十年的歷史。在此之后對SiC/Cu復合材料的研究主要集中在潤濕、反應、界面結合熱性能、耐腐蝕性、摩擦性能及相關應用等。根據Pelleg的研究可以得出SiCf/Cu復合材料可以在600℃～860℃的溫度范圍內保持穩定存在。但是當溫度高于860℃時，即使是有Fe存在的情況下，界面反應仍依舊十分嚴重。

3.2 本領域存在的問題

第一，金屬Cu和SiC之間的潤濕性較差，如何提高金屬Cu和SiC陶瓷之間的潤濕性是科研工作者的重大難題。

第二，如何優化生產流程進而實現產業化是銅基復合材料的重要研究方向。而涉及到的界面的問題是復合材料的核心問題，對于晶體界面和增強體的界面來說，缺乏相對完善的理論。

第三，導熱性和熱膨脹性不匹配。如何在合適的高溫條件下，二者界面的達到穩定，獲得兼具有高強度和高導熱性的材料。

4 結語

針對集成芯片系統產生的功耗也越來越大，發熱量不斷增加，芯片系統因升溫而造成失效的可能性不斷加大，以β-SiC增強體和銅粉的復合材料制備為研究對象，對燒結工藝開展深入研究，重點研究SiC顆粒尺度、SiC顆粒配比和燒結溫度對SiC/Cu復合材料致密度和導熱性的影響，闡明SiC/Cu復合材料導熱機理，確定研究SiC/Cu復合材料的最佳冷壓和熱壓（燒結）工藝將對豐富銅基復合材料致密化理論和燒結理論，為電子封裝材料的研制提供新的制備技術，具有比較重要的科學意義和工程價值。