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復合新材料-第三代封裝材料

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-25  瀏覽次數:15
核心提示:湖南碳材科技有限公司,致力于碳碳復合材料生產研發;在碳材料領域積累了豐富的經驗。本文主要介紹鋁碳化硅(AlSiC)金屬基

     

 

湖南碳材科技有限公司,致力于碳碳復合材料生產研發;在碳材料領域積累了豐富的經驗。本文主要介紹鋁碳化硅(AlSiC)金屬基熱管理復合材料。

 

碳化硅電子元器件專用電子封裝材料,主要是指將鋁與高體積分數的碳化硅復合成為低密度、高導熱率和低膨脹系數的電子封裝材料,以解決電子電路的熱失效問題。特性概況:1) AlSiC具有高導熱率(170~200W/mK)和可調的熱膨脹系數(6.5~9.5×10-6/K)

 

 

熱膨脹系數與半導體芯片和陶瓷基片實現良好的匹配

       因此一方面AlSiC的熱膨脹系數與半導體芯片和陶瓷基片實現良好的匹配,能夠防止疲勞失效的產生,甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上;另一方面AlSiC的熱導率是可伐合金的十倍,芯片產生的熱量可以及時散發。這樣,整個元器件的可靠性和穩定性大大提高。

 

 

可按用戶的具體要求而靈活地設計

       AlSiC是復合材料,其熱膨脹系數等性能可通過改變其組成而加以調整,因此電子產品可按用戶的具體要求而靈活地設計,能夠真正地做到量體裁衣,這是傳統的金屬材料或陶瓷材料無法作到的。3) AlSiC的密度與鋁相當,比銅和Kovar輕得多,還不到Cu/W的五分之一,特別適合于便攜式器件、航空航天和其他對重量敏感領域的應用。4) AlSiC的比剛度(剛度除以密度)是所有電子材料中最高的:是鋁的3倍,是W-Cu和Kovar的5倍,是銅的25倍,另外AlSiC的抗震性比陶瓷好,因此是惡劣環境(震動較大,如航天、汽車等領域)下的首選材料。

        AlSiC可以大批量加工,但加工的工藝取決于碳化硅的含量,可以用電火花、金剛石、激光等加工。6) AlSiC可以鍍鎳、金、錫等,表面也可以進行陽極氧化處理。7) 金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC基板上,用粘結劑、樹脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。

本身具有較好的氣密性

        AlSiC本身具有較好的氣密性。但是,與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。9) AlSiC的物理性能及力學性能都是各向同性的。由于AlSiC電子封裝材料及構件具有高彈性模量、高熱導率、低密度的優點, 而且可通過 SiC體積分數和粘接劑添加量等來調整膨脹系數,實現與GaAs芯片和氧化鋁基板的熱匹配;同時可近凈成形形狀復雜的構件,因此生產成本也較低,使其在微波集成電路、功率模塊和微處器蓋板及散熱板等領域得到廣泛應用。

 

力學性能優異

       力學性能與用作結構材料的鋁基復合材料相比, AlSiC 電子封裝材料的力學性能研究工作很少, 如果用作封裝外殼材料, 其力學性能也是結構設計的重要數據。SiC 體積分數相同, 因基體合金和浸滲技術的不同, AlSiC 封裝材料的彎曲強度和彈性模量相差較大。SiC體積分數為70%時, 與用 Al-Si-Mg系合金和無壓浸滲制備的復合材料相比, 用 AlSi20合金和擠壓鑄造技術制備的復合材料的彎曲強度提高了37%,但彈性模量降低 17%。SiC 體積分數為60%和采用擠壓鑄造制備復合材料時, 與基體為 AlSi12合金的相比, 基體合金為Al-Cu4MgAg 的 AlSiC 封裝材料的彎曲強度和彈性模量分別提高73. 2% 和18%。

 

 

       表1中所使用的基體合金,除 99. 7% Al 合金外, 其余均是可熱處理強化的合金, 改變熱處理工藝可獲取不同性能的封裝構件, 如 60vol% SiCp/ AlCu4M gAg 封裝材料, 鑄造態和T6態的彎曲強度分別為 673. 2M Pa和 703. 5M Pa,而布氏硬度則分別為273和360。氣密性眾所周知, 氣密性是封裝材料及構件的重要指標之一, 氣密性不好會使外界水汽、 有害離子或氣體進入封裝構件中, 使封裝構件產生表面漏電、結構發生變化、 參數變化等失效模式。

 

      影響AlSiC 電子封裝材料氣密性的主要因素有: 制備工藝、 材料表面粗糙度等。如采用擠壓鑄造、 真空壓力浸滲和無壓浸滲制備AlSiC封裝材料, 材料孔隙率分別為 0. 7% ~ 3%、 0. 5% ~2%和 2. 9% ~ 5. 9%。為提高材料的氣密性, 必須減小材料中的孔隙率, 由于 AlSiC 中含有大量堅硬的 SiC 粉末, 因此常采用熱等靜壓工藝進行致密化處理。國外廠商生產的 AlSiC封裝材料的氣密性指標都小于 10- 10 Pa•m3 / s。分別采用真空壓力浸滲和無壓浸滲制備的 AlSiC 封裝材料的氣密性均能達到小于 5x 10- 9 Pa•m3 / s, 滿足了國軍標對封裝材料氣密性的要求。

 

       AlSiC 復合材料的顯微組織如下圖所示。由圖可以看到AlSiC復合材料的組織均勻致密,無雜質、氣孔等缺陷,細小的SiC 顆粒充分填充到粗大顆粒的間隙中,分布均勻,無顆粒團聚現象,致密的組織不但可以提高復合材料的導熱率,還能提高材料的力學性能。熱膨脹系數熱膨脹系數的測試結果如圖2所示。60%A1SiC復合材料25℃~100℃之間的平均線膨脹系數介于(6.7~8.4 ) x 10-6K-1之間, 低于常用封裝材料 Mo/10vol%Cu( 8.7x 10-6K-1)的熱膨脹系數,能夠滿足電子封裝應用的性能要求。AlSiC 復合材料的熱膨脹系數隨著溫度升高而增加,在相同溫度下隨著SiC 顆粒體積分數的增加而降低。

 

       對復合材料而言, 其熱膨脹系數主要取決于基體的熱膨脹系數和增強體通過基體 一增強體界面對基體的制約程度。一方面,由于鋁的熱膨脹系數隨溫度的提高而增大,導致復合材料的熱膨脹系數也隨溫度提高而增大。另一方面,隨溫度提高,復合材料中增強體-基體界面傳載能力下降,增強體對基體膨脹的制約能力降低,也導致復合材料熱膨脹系數隨溫度提高而增大。

 

我司產品采用復合材料工藝,很大程度上解決以往粘舟的問題,降低殘次料指標,降低舟皿破損率,同時通過結構改進,降低勞動強度,延長舟皿使用壽命。

 

       溫度對AlSiC復合材料的影響不大,但總體上呈現出隨溫度升高材料熱導率逐漸減小的趨勢。當溫度相同時,AlSiC復合材料的熱導率隨著體積系數的增大而減少。增強相體積分數的增加,在復合材料內部引入了大量的界面,這些界面的存在阻礙了熱傳導的進行,使材料熱導率降低。力學性能圖3是不同體積分數下AlSiC復合材料的彎曲度。該材料的彎曲強度隨著SiC體積分數的增加呈現減少趨勢。

 

 

      增強相體積分數增加,復合材料的脆性增大,基體缺乏足夠的塑性來傳播很高的局部應力,致使復合材料達到正常強度前斷裂。而且復合材料的強度還與增強相的大小、形狀以及材料的制備工藝有關。在顆粒含量、尺寸及內部缺陷作用下,使得高體積分數AlSiC復合材料的彎曲強度并不隨SiC體積分數增大而增大。圖4為AlSiC復合材料彎曲試樣斷口的掃描電子顯微鏡照片。從圖4中可以看到。對于體積分數較高的復合材料整體上呈現出脆性斷裂的特征,但在復合材料斷口中存在少量的撕裂棱和韌窩,具有一定的塑性變形的特征。體積相分數越高,材料脆性斷裂的特征就越明顯。

 

 

 
 
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