SiC/Al封装材料制备工艺研究现状
时间：2020-12-08 14:46:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要 立足于满足封装材料服役性能需求，比较了搅拌铸造，粉末冶金，多孔预置体浸渗，喷射共沉积等SiC/Al复合材料的制备工艺，以及由这些工艺制备的复合材料的特性，从而探讨各种工艺在制备电子封装基板材料的适用性。
关键词 SiC/Al复合材料；电子封装；基板材料；制备工艺
中图分类号TF1 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）145-0035-01
1 介绍
高体分SiC/Al复合材料优异的机械和热物理性能，使其在电子封装领域具有巨大的潜力[1]。近20年，研究人员对其制备技术进行了积极的探索，开发了若干种高体分SiC/Al复合材料制备方法。目前比较成熟的工艺有搅拌铸造，粉末冶金，液相浸渗，喷射沉积等。采用这些工艺方法生产的零部件已经在汽车发动机制造、航空航天器和电子封装领域获得应用。本文將在工艺适用性和成本、各种工艺所得材料性能以及相应工艺的潜力等，进行比较分析。
2 电子基板SiC/Al复合材料制备工艺
根据制备过程中Al合金基体的物相状态，制备工艺可分为两大类，即固相制备法和液相制备法。固相法包括粉末冶金，液相法则有搅拌铸造，喷射共沉积，液相浸渗。其中浸渗法又根据是否需要外压，分为压力浸渗和无压浸渗。
2.1 固相制备法
粉末冶金工艺[2]的原理是采用机械合金化将SiC颗粒和Al颗粒混合均匀，成型，并在保护气氛下在Al合金熔点以下50～100℃烧结。常压烧结所得复合材料残余气孔率偏高，采用热压烧结或热等静压处理，或将常压烧结件经过热挤压处理，能极大提高材料致密度，从而提高基板材料导热性能和机械性能。粉末冶金法在较低温度下进行，避免了熔融态Al过度侵蚀SiC，因此能很好的保留Al合金和SiC陶瓷自身的优异特性。另外粉末冶金工艺非常成熟，生产流水线的建设周期短。正如上述，粉末冶金工艺的不足之处比较明显，所制备的复合材料有较多的气孔，严重影响材料的热机械性能，需要后续的热压力处理，因此难以实现复杂几何形状的近尺寸成型，考虑到复合材料中含有较大含量的硬质材料SiC，后续加工的难度和加工量很大。此外，粉末冶金工艺对SiC和Al颗粒混合的均匀性要求很高，特别是要避免SiC的偏聚。在制备复合材料的烧结温度下，SiC偏聚区域无法烧结致密，也是导致气孔率上升的原因之一。
2.2 液相制备方法
搅拌铸造法适用于体积含量低的SiC/Al复合材料制备[3]，工艺成熟简单，对设备的投资和生产成本低。然而该种工艺制备的SiC含量普遍较低，因为在Al合金中加入过多的SiC颗粒，例如超过25%体积分数，会导致固液混合体黏度增大，难以通过机械搅拌分散和混合均匀，更难以通过机械或气压使混合浆料成型。复合材料中SiC体积分数低，无法约束基体合金的热膨胀，不能解决因为半导体材料和基板之间的较大的膨胀差异，因而不适用于制备基板材料。
喷射共沉积法[4]通过高速气流将SiC和雾化Al合金液从两个喷嘴中喷出并沉积于耐热模具上，通过热挤压致密化得到最终复合材料。这个方法可以获得任意比例的SiC/Al复合材料，兼具粉末冶金法烧结温度低，复合材料界面洁净等优点。结合激光或等离子局部烧结技术，以及被誉为新一轮工业革命的3D打印技术，可以实现异形件的快速增材制造，对原材料的消耗极大的降低，是环境友好型的制备方法。目前喷射共沉积工艺面临制备周期较长。和粉末冶金法的情况类似，喷射共沉积法制备的高体分SiC/Al残余气孔率偏高，需要后续热轧，这是该种技术结合3D打印技术实现增材制造需要解决的重要问题。
浸渗法[5]又包括压力浸渗法和无压浸渗法。压力浸渗包括挤压铸造，离心铸造，真空辅助浸渗和气压浸渗等。材料复合主要驱动力是外界对熔融Al合金液施加各种形式的压力，包括气压差，机械压力，离心力等。无压浸渗的驱动力则主要是毛细管压力差。浸渗法可制备SiC体积含量超过70%的复合材料，在降低材料线膨胀系数上具有优势。压力浸渗可以在Al合金液相线以上较低温度进行，工艺周期短，但是需要专门的压力浸渗设备，并且要求SiC预制件具有足够的抗压强度，保证在加压过程中不至于破坏失效。无压浸渗需要较高温度和特定气氛，但是对于制备异形件近净尺寸有巨大的优势，制备设备简单，容易实现大尺寸化和批量生产。当采用浸渗法制备高体积分数SiC/Al复合材料时，要注意控制界面反应，因为相对于固态的Al颗粒，熔融Al合金易侵蚀SiC，产物Al4C3不但降低材料的导热性能和机械性能，而且其具有强烈的吸湿水解倾向，严重损害复合材料的可靠性。
3 结论
各种工艺方法制备SiC/Al复合材料均有不同的优势，除搅拌铸造外，均能制备达到电子封装材料要求的复合材料。粉末冶金工艺成熟，而液相法则能进一步提高材料的热机械性能。结合3D打印技术，喷射共沉积法尚有潜力待挖掘；综合比较结果显示，浸渗法因其低成本，能制备超高体分SiC/Al而成为较佳的电子封装基板材料制备工艺。
参考文献
[1]黄强，顾明元.电子封装用金属基复合材料的研究现状[J].电子与封装，2003，3（2）：22-25.
[2]王晓阳，朱丽娟，刘越.粉末冶金法制备AlSiC电子封装材料及性能[J].电子与封装，2007，7（5）：9-11.
[3]Gupta M， Lu L， Ang S. E.. Effect of microstructural features on the aging behavior of Al-Cu/SiC metal matrix composites processed using casting and rheocasting routes[J].Journal of Materials Science.1997，32：1261-1267.
[4] Jacobson OM.， Andrew Ogilvy.Property measurements on osprey spray-deposited Al-Si alloys[J].Matt，2002（5）：36-37.
[5]向华，曲选辉，肖平安，等.SiCp/Al电子封装复合材料的现状和发展[J].材料导报，2003，2（17）：54-57.
