电子封装alsic复合材料之制作及特点研究

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1、电子封装AlSiC复合材料之制作及特点研究第一章绪论1.1引言世界正在悄然进行着新的技术革命，新材料技术作为新技术革命的先导，促使材料领域发生了重大变革。材料的研究、开发及发展应用成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。随着科学技术的快速进步和工业技术的迅猛发展，传统材料，特别是单一材料如金属材料、陶瓷材料及高分子材料等越来越难以满足各行各业越来越苛刻的要求，凸显了其局限性。研究者们开发了一些新型材料来代替这些传统材料。这些新型材料中，复合材料通过对各组分的性能进行综合和裁剪，兼具有其他单一材料无法比拟的优点，从而受到广泛关注[1][2]。采用物理或化学的方法，将两种或两种

2、以上的材料复合在一起形成复合材料，这样复合材料即可兼具各组成部分的性质并在宏观上表现出新的性能。复合材料的组成一般划分为基体和增强体，其中常见的增强体材料主要有SiC纤维、C纤维、B纤维、晶须以及一些硬质颗粒等。基体材料有金属和非金属两大类。常用的金属基体有镁、钛、铜、铝及其合金。常用的非金属基体有石墨、陶瓷、橡胶、碳、合成树脂等。可见，复合材料的组成成分各种各样，复合材料也多不胜数。颗粒增强铝基复合材料属于金属基复合材料中的颗粒增强复合材料。这种复合材料综合了增强相和金属基体各自的优点，兼具有增强相的强度等优点和铝基体的便于加工和高热导率等优点，具有优良的综合性能[2][

3、3]。近年来，颗粒增强铝基复合材料在电子封装、航空航天、民用汽车等领域蓬勃发展，在航空航天领域逐步取代了传统材料，在电子封装领域也展现出了良好的应用前景[4][5]。1.2电子封装材料半导体技术飞速发展，自1958年问世以来的第一块半导体集成电路（IC），微电子芯片特征尺寸逐次减小（现在已减小到0.25~0.13μm甚至更小）。一个硅芯片上集成成千上万个甚至更多门电路，再加上整机和系统的小型化和高密度化，致使集成电路模块和封装结构更加小型化，功率更高，功率密度大大增加。芯片具有高集成度、大功率的特征，这些特征必然带来发热功率和热流密度的增加，导致电路的温升。而温度的升

4、高将不利于有源电子器件的各方面性能，将改变其电学性能，如增益，漏电流及失调电压等[10][11]；另外，电子器件长期在相对于正常温度的高温条件下工作，将会大大降低其使用寿命。于是，散热问题成为功率模块继续向高功率高密度发展的瓶颈。为解决这一问题，可以优化封装模块结构，但封装结构优化对于散热性能提高的作用是极其有限的。封装材料的散热性能的大幅度提高将会使电子封装器件的散热性能跨上新的台阶。为了满足微电子器件向高性能、轻量化和小型化方向发展的要求，新的电子封装材料应当具备以下几个特性[12][13][14]：一是封装材料应具备优异的导热性能，这样才能保证可以使电子芯片产生的热量

5、及时地散发出去，不至于使芯片温度过高而影响电子器件的使用性能；二是封装材料的热膨胀系数应与芯片S（i4.110-6K-1）或GaA（s5.810-6K-1）等芯片相匹配，以免封装基板与芯片之间在使用过程中产生热应力而翘曲，研究表明，当基板与芯片的热膨胀系数相差超过1.210-5K-1时，最多只能承受100次热循环边会出现分离现象；三是封装材料应具有一定的强度和硬度，以支撑和保护芯片；四是封装材料应具有良好的气密性，以防止大气中的水汽、有害离子等进入，使封装结构出现漏电、性能参数改变等失效情况；四是封装材料应尽量具有低密度，低密度有利于微电子器件的小型化、轻量化发展趋势；五是

6、封装材料的生产成本应尽量低，效率尽量高，有利于大规模工业化生产。以上5个方面的特性中，优异的导热性能和合适的热膨胀系数是尤为重要，且较难实现的，本文主要针对这两方面特性进行探讨以期提高AlSiC复合材料的热导率、降低其热膨胀系数，更好地满足电子封装的需要。第二章实验准备和测试方法2.1实验原料实验选用大小两种粒径的SiC颗粒混合体作为增强体，大小颗粒平均粒径分别为60μm、15μm。这是因为以单一粒径的陶瓷粉体为原料，很难制备固相体积分数为60%以上的金属基复合材料。郑超[50]，吴金方[34]，熊德赣[35]，陈闯[51]等人也都采用两种甚至多种粒径相混合的S

7、iC颗粒做复合材料增强体，以获得高SiC体积分数的复合材料。相比于其他造孔剂，本实验选用有机物为造孔剂，具有无毒无污染，性能稳定等优点。首先对该造孔剂的热性质进行探究，以了解孔隙的形成过程，其热失重曲线如图2-2。由图2-2可以推断出，该材料在100℃左右开始分解，270℃左右分解生成的物质开始燃烧，270~340℃范围内分解生成的物质燃烧最剧烈，在500℃左右燃烧完毕。SiC预制件烧成过程中，该造孔剂分解燃烧释放出气体提高了孔隙率[52]；而气体的逸出也保证了气孔的开口性。2.2AlSiC复合材料制备工艺设计本实