电子封装用SiCp_Al复合材料开发可行性研究报告

电子封装用SiC p//Al复合材料开发与应用

可行性报告

一.项目的主要内容

铝碳化硅（AlSiC）电子封装材料是将金属的高导热性与陶瓷的低热膨胀性相结合，能满足多功能特性及设计要求，具有高导热、低膨胀、高刚度、低密度、低成本等综合优异性能的电子封装材料。在国际上，铝碳化硅属于微电子封装材料的第三代产品，是当今西方国家芯片封装的最新型材料。该复合材料的热膨胀系数比无氧铜低一半以上，且在一定范围内精确可控，比重仅为无氧铜的三分之一；与第一代kovar封装合金相比，导热率可提高十倍，减重三分之二；与第二代封装金属W/Cu、Mo/Cu相比，分别减重约83%和71%，且成本低得多。另外，SiCp/Al电子封装材料具备优异的尺寸稳定性，与其他封装金属相比，机械加工及钎焊引起的畸变最小，具有净成型、加工能力，可焊性也较好。自国际开发此类技术迄今十年多来，其应用范围从军工领域逐步向民用电子器材领域扩展，目前已占据整个电子封装材料市场近乎50%的使用覆盖面。由于此项技术产品具有重要的军工价值，被欧美国家视为导弹、火箭和卫星制造等方面的尖端基础材料，始终作为高度机密技术加以封锁，该产品早已是我国急需的军工和民用市场上的空白高技术产品。项目组在前期研究基础上将进一步优化自创的无压渗透法工艺中温度、摸具、气氛、时间等工艺参数；研究不同基体成分制备工艺参数，增强相颗粒尺寸、形状、比例等对该材料的导热性及膨胀系数影响；研究新材料镀镍及镀金工艺包括镀槽成分、酸洗工艺、退火工艺等，形成一套完整的铝碳化硅（AlSiC）电子封装零件制备工艺，制备出不同性能的电子封装材料和具体零件，为铝碳化硅（AlSiC）电子封装材料的产业化奠定基础。

二.相关技术领域国内外发展现状及趋势

以Kovar为代表的第一代封装合金解决了热膨胀系数与芯片及陶瓷基片的匹配问题，但导热率却很低（比Cu低20倍）。以W/Cu、Mo/Cu为代表的第二代封装合金，可以同时实现高导热与低膨胀，但它们的比重却很大（比纯铜还高），而且制造工艺复杂，成本高，因此大大制约了它们在轻量化要求中当代的使用。特别是限制了在航空航天电子系统只的大量使用。近十年来问世的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）就可望替代第一、第二代专用电子封装合金，满足低膨胀，高导热、轻质的要求。

目前国主要电子封装材料性能见下表1：其中Al/SiCp复合材料数据

是本课题组所得数据。

表1电子封装应用SiC p/Al复合材料性能

材料CTE(ppm/K)热导率

(W/mK)

密度(g/

cm3)

W-Cu合金 6.5-7.2150-18016.1-16.4

Al/SiCp复合

材料

8-12120-160 2.0-3.5

KOVAR合金 6.2-7.215-228.15-8.19

膨胀系数热导率是SiC p/Al复合材料作为电子封装应用的重要热物理性能，SiC p/Al复合材料中增强体颗粒体积分数是对其热物理性能影响最大的因素之一，一般认为随着SiC增强颗粒的体积分数增加，其热膨胀系数及热导率均会逐步下降。Hyo.S.Lee等人通过实验得出如下数据：当SiC的体积分数在50%时，其平均热膨胀系数为9.50×10-6/K，平均热导率为177W/mK；当SiC的体积分数增加到71%时，其平均热膨胀系数降至6.33×10-6/K，平均热导率也降至125W/mK。本课题组前期也对此做了一定的探讨，在SiC颗粒体积分数为55%时，在100℃测得复合材的热膨胀系数为9.25×10-6/K。SiC p/Al复合材料基体成分变化对热物理性能也存在一定的影响，由于铝合金基体本身的热物理性能的不同，而形成的复合材料热物理性能也存在差异。例如Chihiro Kawai发现相同增强体体积分数的SiC p/Al复合材料，采用不同基体，一个试样采用纯铝基体，另一个试样采用含硅为11%的铝合金基体，最终测得其复合材料的热膨胀系数不同，基体中含11%硅的SiC p/Al复合材料热膨胀系数较小，但同时也发现含硅铝

合金基体的SiC p/Al复合材料的热导率较高。

颗粒增强复合材料的制备工艺有粉末冶金法、压铸法或半固态凝固法、喷雾沉积法等，但这些方法中都不能制备高比例增强相复合材料。即使粉末冶金法，增强相最大比例也只能达40％，且都需要真空、高压、高温复杂设备，还需对增强颗粒进行预处理，即使这样，也难以制备形状复杂零件。近年来，美国Lanxide公司又开发了一种称为无压渗透的技术，无需特殊设备，不需对增强颗粒预处理，在普通加热炉中加热不超过1000℃，氮气保护下，可生产出高比例的铝基复合材料，可制备各种复杂形状构件。这是一种低成本生产颗粒增强复合材料方法。但有关该项技术的具体细节尚未公开报道。SiCp/Al电子封装复合材料已在美国获得实际应用。工程应用在二十世纪九十年代中期兴起，最早是美国休斯公司为机载预警雷达的模块封装而开发。二十世纪九十年代末，又在F-22战斗机、EA-6B“徘徊表”电子战斗机上大量使用。目前，SiCp/Al电子封装复合材料应用也有大的突破。本项目申请者从1993年开始在Lanxide公司的无压渗透法的基础上，开发出简便易行的在空气气氛中的无压渗透法，能成功的制备出SiC颗粒体积比例在55％～65％的电子封装用高比例颗粒增强铝基复合材料。并且对该法制备出SiCp/Al电子封装的复合材料相关膨胀系数热导率进行了相关研究。

三.项目的目的、意义

随着信息技术高速的发展，当今电器部件中的芯片集成度越来越高，微电路的组装也越来越高，芯片的尺寸越来越大，功率也越来越大，散热要求也越来越高。铝、铜等传统封装金属尽管导热性能十分理想，但它们的热膨胀系数与Si\CaAs等芯片不同，因此陶瓷和电容介质材料存在高热错配力，同时芯片向大尺寸化不断发展，陶瓷基片也越来越薄，很容易引起芯片和陶瓷基片的炸裂或某些焊点、焊缝的开裂。以Kovar为代表的第一代封装合金解决了热膨胀系数与芯片及陶瓷基片的匹配问题，但导热率却很低（比Cu低20倍）。以W/Cu、Mo/Cu为代表的第二代封装合金，可以同时实现高导热与低膨胀，但它们的比重却很大（比纯铜还高），而且制造工艺复杂，成本高，因此大大制约了它们在轻量化要求中当代的使用。特别是限制了在航空航天电子系统只的大量使用。对当今搭载电子元器件数量急剧膨胀的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、

卫星、弹道导弹等军事装备来说，降低自重就意味着提高了灵活性和生存性，降低了燃料装载量，增加了有效载荷。因此，军事电子装备尤其是航空航天飞行器上的装备迫切需要一种集低膨胀、高导热、轻质三大特性于一身的新型电子封装材料。

近十年来问世的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）就可望替代第一、第二代专用电子封装合金，满足低膨胀，高导热、轻质的要求。该复合材料的热膨胀系数比无氧铜低一半以上，且在一定范围内精确可控，比重仅为无氧铜的三分之一；与第一代kovar封装合金相比，导热率可提高十倍，减重三分之二；与第二代封装金属W/Cu、Mo/Cu相比，分别减重约83%和71%，且成本低得多。另外，SiCp/Al电子封装材料具备优异的尺寸稳定性，与其他封装金属相比，机械加工及钎焊引起的畸变最小，具有净成型、加工能力，可焊性也较好。

随着我国逐渐成为世界信息产品的制造基地，对IC产品的需求将不断增长。根据有关权威机构研究结果显示，2005年，中国集成电路的需求量将达到500亿元人民币，而属于本技术产品主要进入领域的功率电子、光电子和微波器件的市场将随之扩大，估计不会低于5%的份额，即25亿元人民币的需求量,其中封装材料每年的市场需求总量大约为15～20亿元人民币。

因此，用SiC

/Al制成各种平板状的产品，用于各类电路的热沉、基板、封

p

盖、过渡片等，可替代目前在使用的氧化铍、氮化铝、钼片、钨铜合金及其它金属材料。用SiC

/Al制造的各类封装管壳产品，用于各种电路的外壳、底座、管

p

件等，可替代目前在使用的可伐合金、钢、钼及其它金属材料外壳。电子封装SiCp/Al复合材料无论从性能上、技术上取代W/Cu W/Mo等材料是大势所趋

四.项目实施方案

1．项目开发内容

研究内容：

1、材料制备工艺优化

进一步优化自创的无压渗透法工艺中温度、摸具、气氛、时间等工艺参数；

为制备出不同形状尺寸的毛坯件奠定基础。

2、导热性研究

研究不同基体成分制备工艺参数，增强相颗粒尺寸、形状、比例等对该材料

的导热性影响；为制备不同导热率电子封装材料作准备。

3、膨胀性能研究

研究不同基体成分制备工艺参数，增强相颗粒尺寸、形状、比例等对该材料的膨胀系数影响；为制备不同膨胀系数电子封装材料作准备。

4、表面镀金属工艺研究

主要研究新材料镀镍及镀金工艺。包括镀槽成分、酸洗工艺、退火工艺等。

为该材料适应不同的密封及可焊性作准备。

5、选择一个具体的电子元件制作封接用的SiC p/Al复合材料。

2.分年度工作内容

项目进展安排

20061--2006.12完成制备工艺优化，制备出不同形状\尺寸的封装用零件2007.1---2007.9完成导热性及膨胀系数研究,制备出导热率在190—200w/m.k,热膨胀系数在7.1—9.0*10/k的材料

2007.10---2007.12完成表面镀镍或镀金的工艺探索,制备出有良好表面镍层或金

层的样品。

2008.1---2008.6完成一个具体电子产品封装用零件制备及应用工作

2008.6项目总结

五.项目实施技术可行性分析

SiCp/Al电子封装复合材料已在美国获得实际应用。工程应用在二十世纪九十年代中期兴起，最早是美国休斯公司为机载预警雷达的模块封装而开发。二十世纪九十年代末，又在F-22战斗机、EA-6B“徘徊表”电子战斗机上大量使用。目前，SiCp/Al电子封装复合材料应用也有大的突破。本项目申请者从1993年开始在Lanxide公司的无压渗透法的基础上，开发出简便易行的在空气气氛中的无压渗透法，能成功的制备出SiC颗粒体积比例在55％～65％的电子封装用高比例颗粒增强铝基复合材料。本项目的研究可以利用已研制的空气氛围下无压渗透法制备出各种需要的复合材料试样及简单零件，其工艺简单成本低廉；见下图。并且对该法制备出SiCp/Al电子封装的复合材料相关膨胀系数热导率进行了相关研究。也可以利用SiCp/Al颗粒增强铝基复合材料的热微屈服行为、热循环过程累积残余应变的一些实验数据及理论研究成果，其中完成的“碳化硅颗粒铝

基复合材料制备工艺”、“高比例SiCp/Al颗粒增强铝基复合材料热循环过程累积残余应变”等一系列论文,这对本项目的顺利完成非常有益；

项目具体技术方案：

a、增强相体积分数的影响

调整预制增强相胚中黏结剂的含量、选择大小不同的增强相尺寸或者通过高比例体积分数复合材料重熔制备出不同增强相体积分数复合材料。

b、基体成分的影响

主要选择合金元素硅的不同含量进行研究另外再选择铜和镁的不同含量进行研究。

c、碳化硅颗粒形貌的影响

选择多边形、长条形、近球形碳化硅进行对比。

d、碳化硅颗粒尺寸的影响

在体积分数相同的情况下选择4到5种不同尺寸碳化硅颗粒制备复合材料。

e、热处理制度的影响

选择不同的热处理制度探讨基体第二相析出对热导率热膨胀性能的影响。

f、碳化硅铝界面结构影响

通过测定界面相结构、成分探讨界面对热导率热膨胀性能的影响。

整个技术的工艺流程为：

无压渗透法制备—→表面镀镍—→

选择SiC p或Al—→

→

→导热率,膨胀系数测试—→-成品

六.项目实施基础条件

我们已具备开展各种制备及实验测试的条件，比如无压渗透法装置、有气氛保护烧结炉、激光导热仪、扫描电镜、光学金相显微镜、万能拉伸仪、高精度天平、图像分析仪、透射电子显微镜、热机械分析仪、X射线衍射仪等精密仪器，

能为复合材料的制备及组分参数（颗粒含量、尺寸、形状等）、微观结构、位错、热循环尺寸稳定性以及ΔCTE应力等各数据的测定和细微分析提供充足的条件；而且学院有足够的微机进行实验分析的绘图及计算操作，如有限元模拟软件ANSYS应力分析法将在本项目中得到应用。

此外，我们在人力上也可以保证本项目研究工作的顺利进行。课题组成员主要为青年教师和博士、硕士研究生，具有很强的理论与实验分析能力，其组成成员共6人，其中2人为教授，1人为在读博士,2人为硕士毕业生，2人为在读硕士研究生。申请者及合作者为在读硕士研究生的导师，本项目将结合硕士研究生的学位论文进行。

为了使项目正常完成，学校将给于1比1的项目经费配套，在仪器设备使用方面提供方便。

七.项目实施经济社会效益分析

经济方面，随着电子系统的小型化和高性能化，封装已变得和芯片一样重要。封装成本在半导体销售中占的比例也越来越大，微电子封装材料在全球每年有一千多亿美元的市场容量。因此电子封装受到空前的重视，在美国、日本等，电子封装都是作为一个单独的行业来发展，而对于新加坡、台湾等亚洲国家和地区，更是把电子封装及组装技术作为他们的工业支柱，处于绝对优先的发展地位。随着我国逐渐成为世界信息产品的制造基地，对IC产品的需求将不断增长。根据有关权威机构研究结果显示，2005年，中国集成电路的需求量将达到500亿元人民币，而属于本技术产品主要进入领域的功率电子、光电子和微波器件的市场将随之扩大，估计不会低于5%的份额，即25亿元人民币的需求量,其中封装材料每年的市场需求总量大约为15～20亿元人民币。

/Al 采用无压浸渗技术批量生产出高导热、低膨胀、高刚度、低密度的SiC

p

微电子封装材料，按年产销1500万cm2（厚度1mm）平板材料的铝碳化硅微电子封装材料，所需固定资产投资330万元，流动资金为200万元。项目达产后年创销售额9000万元，创税2322万元，年获净利润4714万元，投资回收期不到一年。

项目为全国领先，具有自主知识产权，可以独立兴办企业，解决劳动力就业问题，也可提高江西企业在电子行业的地位。项目对环境几乎无污染。

十.综合评价

如上所述，项目无论从技术上还是经济效益、社会环保方面都是可行的。项目涉及到的技术是高新技术，涉及到的行业是一大有前途的行业，因此是一个很有前途的项目。