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碳化硅铜基电子封装材料的研究进展

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近年来,随着电子信息的迅速发展,集成芯片系统集成度和运行速度已经得到了大幅度的提高,导致芯片系统因升温而造成失效的可能性不断加大,因此,开发出一种密度高且散热功率高的电子封装材料迫在眉睫。为了研发出高性能的电子封装材料,在过去几十年里,学术界和工业界基于电子封装材料的使用、烧结温度及制备方法等方面做出了大量研究工作。目前关于复合材料电子封装材料研究的文献很多,但是还存在一些问题。回顾了近几十年铜基复合材料的制备,研究铜基复合材料的应用现状,分析了铜基复合材料的特性。针对未来的发展趋势,预测了碳化硅铜基电子封装材料未的应用前景,以期望能为我国金属制造业的相关工作提高一些启示。

1碳化硅铜基电子封装材料的应用现状

电子封装是使内部的芯片信号传输到各个端口,并且让输入端口由内向外过镀,从而保证信号可以正常传输。对器件进行电子封装的密封保护在一定程度上可以阻挡周围环境对于材料影响,除了对外部有影响之外,对内部而言,电子封装能够将芯片上聚集的热量传输到外界,起到散热的作用。因此,新一代电子封装材料需要有更好的导热性,高温硬度,耐蚀性以及良好的韧性。

1.1碳化硅铜基电子封装材料基体的应用

金属基电子封装材料其基体一般为金属铝、铜及其合金。纯铜虽然有良好的导电性、导热性以及塑性变形能力,但是其强度、硬度和耐磨性较差,热膨胀系数约为17×10-6K-1,为了降低其热膨胀系数,得到良好性能的电子封装材料,将金刚石颗粒、碳化硅颗粒、碳纤维等热膨胀系数与密度均较低的增强相与铜基复合得到碳化硅铜基复合电子封装材料,该材料同时兼备了金属铜的性能和碳化硅的优点,使得以铜为基体的复合材料更有希望成为新一代电子封装材料。但是由于SiCp/Cu间的界面反应很难控制,导致界面热阻大大降低导热性能,所以其有效热导率并未提高,而如何改善SiCp与Cu间的湿润性、控制界面反应,也成了现在电子封装领域的一大热点方向。

1.2碳化硅铜基电子封装材料增强体的应用

金属基电子封装材料的增强相主要为金属钨、钼,碳纤维、金刚石和陶瓷等。其中,以金属颗粒W、Mo为增强相的第一代金属基电子封装材料,也是目前应用最为广泛的金属基电子封装材料。现阶段在我们所知所用的这些以铜为基体的复合材料中,SiC增强铜基复合材料是研究的热点,特别是其中的SiCw和SiCp增强复合材料,其非长纤维增强才是复合材料未来研究和发展的主要前景。而国内外对于此方面的研究可以说非常积极,香港城市大学Tjong.S.C等制备SiC增强铜基复合材料是利用了热等静压法完成的,在制备完成后检测了复合材料的屈服强度、耐磨性和硬度。

2碳化硅铜基复合材料的常见制备方法

SiC/Cu复合材料制备的主要途径有:粉末冶金法、熔体浸渗法、放电等离子烧结法。

2.1粉末冶金法

粉末冶金法制备铜基碳化硅是通过金属铜粉末和增强体碳化硅作为原料,经过冷压成形和热压烧结,制造出复合材料。除了上述工艺,在一定条件下可以省去冷压成型制生胚的步骤,直接进行热压烧结同样可以获得颗粒碳化硅铜基复合材料。

王春华通过粉末冶金法,对其性能进行研究发现采用直接混合法和电导真空热压烧结工艺制备SiC/Cu复合材料,其适宜的工艺参数是700℃,30MPa~40MPa,5min~10min。李春月等采用粉末冶金法制备的电子封装材料,其在950℃下进行真空烧结2.5h后保温,所得到的材料经过密度的测定,材料的密度只能达到88.7%,随后再次处理该材料,进行复烧处理,温度保持950℃、压力为400MPa,结果显示密度为90%以上。

2.2熔体浸渗法

熔体浸渗法第一步是先把增强相预制成形,第二步是将合金熔体倒入,从而在熔体的毛细现象作用下或者一定的压力下使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。按照施压方式可以分为压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗三种。

压力浸渗法最早是由美国铝业公司开发的,是通过真空压铸法制备高体积分数的SiC/Al复材料获得成功,因为其具有价格低廉、性能优异等特点,因此已经广泛应用于电子封装材料的商业出售中;张广安等人采用挤压浸渗法制备了短碳纤维增强铝基复合材料,研究了浸渗压力、液浇注温度、纤维预热温度等因素对复合材料组织的影响。结果表明:铝液浇注温740℃~800℃,预制块预热温度350℃~400℃,浸渗压力2MPa~5MPa是制备复合材料最合适的工艺参数。

无压浸渗是将高温下熔融金属通过毛细管效应浸渗到预制体中。该方法设备简单、成本低,但增强相和金属基体之间的润湿性依旧是个大问题。1986年,美国Lanxide公司在采用直接金属氧化法制备Al2O3基复合材料的工艺基础上提出了合金熔体自浸渗法(无压浸渗法)。结果表明,随Al2O3含量增加,复合材料的杨氏模量、强度均有所提高。

负压浸渗即真空压力浸渗法,通过将增强相预制块放在预制模具中,抽真空并通入保护气氛,将气体按一定压力注入熔炼炉,直至金属液体完全浸渗预制体,从而复合材料。该方法最大的特点是适用于制备高精细复合材料,可以大规模生产。徐志峰采用真空变压力浸渗法制备高体积分数SiCp/Al复合材料。结果表明,该方法具有良好的渗流和凝固条件,避免了气体和夹杂物的裹入等问题。

2.3放电等离子烧结法

SPS是利用放电等离子体进行烧结的一种新型材料制备。与传统烧结方法相比,SPS具有升温快,节能环保等优点,而且最终样品均匀,密度高。缺点则是不能批量生产。

许彬彬等人将SiC和Cu粉称重配比,用SPS设备烧结。结果表明:随着SiC体积分数的减少(从70%到50%),材料致密度逐渐提高;随着SiC粒径的减少,材料的致密度也提高。在材料未达到完全致密的情况下,材料的热导率主要受致密度的影响。

3碳化硅铜基电子封装材料的研究现状

3.1碳化硅铜基复合材料的性质

SiC/Cu复合材料具有250-325W/mK高的热传导系数和在8.0-12.5ppm/℃范围内可调节的热膨胀系数等一系列的高温高导性能,具有较强的适应性和广阔的应用前景,只是界面反应和膨胀系数的不匹配限制了这些性能,因此对SiC/Cu复合材料的研究远没有对SiC/Al复合材料那么早和广泛。

根据Rado报道,早在1969年就有对SiC-Cu系统的润湿和反应得出结果,高真空、1100℃下Cu在α-SiC界面的润湿角e=1400,同时有Cu-Si固溶体和石墨生成。研究结果表明,SiC-Cu系统反应包括Si溶解于液相Cu中,同时形成石墨;而纯Cu和Cu-Si合金则能更好地润湿SiC(θ<90°),然而,正是由此过程形成的石墨,降低了Cu对SiC润湿性。

根据以色列科学家Pelleg于1996年的报道,碳化硅铜基复合材料体系的研究也就近一二十年的历史。在此之后对SiC/Cu复合材料的研究主要集中在润湿、反应、界面结合热性能、耐腐蚀性、摩擦性能及相关应用等。根据Pelleg的研究可以得出SiCf/Cu复合材料可以在600℃~860℃的温度范围内保持稳定存在。但是当温度高于860℃时,即使是有Fe存在的情况下,界面反应仍依旧十分严重。

3.2本领域存在的问题

第一,金属Cu和SiC之间的润湿性较差,如何提高金属Cu和SiC陶瓷之间的润湿性是科研工作者的重大难题。

第二,如何优化生产流程进而实现产业化是铜基复合材料的重要研究方向。而涉及到的界面的问题是复合材料的核心问题,对于晶体界面和增强体的界面来说,缺乏相对完善的理论。

第三,导热性和热膨胀性不匹配。如何在合适的高温条件下,二者界面的达到稳定,获得兼具有高强度和高导热性的材料。

4结语

针对集成芯片系统产生的功耗也越来越大,发热量不断增加,芯片系统因升温而造成失效的可能性不断加大,以β-SiC增强体和铜粉的复合材料制备为研究对象,对烧结工艺开展深入研究,重点研究SiC颗粒尺度、SiC颗粒配比和烧结温度对SiC/Cu复合材料致密度和导热性的影响,阐明SiC/Cu复合材料导热机理,确定研究SiC/Cu复合材料的最佳冷压和热压(烧结)工艺将对丰富铜基复合材料致密化理论和烧结理论,为电子封装材料的研制提供新的制备技术,具有比较重要的科学意义和工程价值。

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