电子封装用SiCp/6063复合材料的制备与性能研究

修子扬，张强，王子鸣，蒋涵

（哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001）

电子封装用SiCp/6063复合材料的制备与性能研究

修子扬，张强，王子鸣，蒋涵

（哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001）

目的 研究体积分数与热处理工艺对SiCp/6063复合材料热物理性能的影响规律，制备一种提高电子封装热管理能力的铝基复合材料。方法 采用挤压铸造法制备体积分数分别为55%, 60%, 65%的SiCp/6063复合材料，对不同体积分数的铝基复合材料分别进行热处理，比较复合材料在压铸态、退火态和T6时效处理态的性能差异。结果 碳化硅颗粒均匀地分布在铝基体中，碳化硅和铝的结合良好，组织致密，没有微小的空洞和明显的缺陷。SiCp/6063复合材料在20～50 ℃的温度区间内，其平均热膨胀系数约在10×10−6～13×10−6℃−1，导热系数为200～220 W/(m·K)，已经基本满足电子封装基板材料的性能要求。结论 随着温度的升高，复合材料的热膨胀系数呈先增加后短暂回落再增加的趋势；复合材料的热膨胀系数随着增强体体积分数的增加而减小；退火处理后SiCp/6063复合材料的热导率明显增加。

复合材料；电子封装；碳化硅；热导率

电子封装技术为了满足高密度、小型化、大功率IC的性能要求，对理想封装材料特性提出如下要求：① 良好的导热性能；② 相匹配的热膨胀系数；③ 足够的强度和刚度；④ 较好的机械加工性能；⑤ 尽可能低的材料成本。此外，针对在航空、航天和空间技术领域及民用移动通信设备方面的特殊应用要求，还需要具有较低的密度[1—4]。

在封装技术发展远落后于IC发展的今天，随着电子工业的大力发展，特别是大功率电子元件的广泛应用，提出的对电子封装基板材料高热导率、低热膨胀的要求，必将使电子封装基板材料成为材料科学研究领域的热点之一[5]。

传统的封装材料中，Cu和Al具有高热导率，一般可用作功率器件的底座或热沉，由于其膨胀系数较大，与陶瓷基片的热匹配性能差，将引起器件整体的可靠性降低；Kovar合金的膨胀系数较小，并具有良好的焊接性能，但是热导率低，且密度较大；Mo, W, W-Cu和Mo-Cu材料的热膨胀系数和热导率都较合适，但是密度较大、可焊性差；Be-BeO复合材料性能优异，但是有剧毒，价格昂贵，限制了材料的应用。由此可见，这些材料无法兼顾电子封装综合性能的要求。

近年来，颗粒增强金属基复合材料(PMMCs)由于其良好的强度、结构刚度、尺寸稳定性和热物理性能，为设计师们提供了高温下应用的许多优势。通过改变增强体的种类、体积分数、粒径配比、排列方式，或者基体合金的成分，或者热处理工艺，就可以得到一系列多种不同性能的材料；通过添加高体积分数的增强体降低材料热膨胀系数，完全可以做到同电子元器件材料（Si、GaAs等）CTE相匹配，同时又具有高的导热性能和低密度[5,11—17]。

文中通过挤压铸造法制备高体积分数 SiCp/6063复合材料，对不同体积分数的铝基复合材料分别进行热处理；系统探究体积分数、热处理工艺等因素对SiCp/6063复合材料的微观组织、力学性能和热物理性能等影响规律，为制备符合电子封装基板材料要求的铝基复合材料提供依据。

1 实验材料及方案

1.1 原材料

实验材料采用挤压铸造法制备出体积分数分别为55%, 60%, 65%的SiCp/6063复合材料，基体材料为工业用6063铝合金，增强体为平均粒径30 μm的碳化硅颗粒粉末。复合材料经过机械加工制备出各种尺寸的测试试样。

挤压铸造法是将增强体颗粒粉末装入模具中，在一定温度下保温制成具有一定形状和体积分数的预制块，随后将熔融的铝合金液倒入模具腔中，并加压使铝液强行渗透到多孔隙的预制块中，然后冷却凝固形成复合材料的一种制备方法，见图1。

图1 挤压铸造法示意图Fig.1 Sketch map of squeeze casting process

1.2 热处理工艺

所用复合材料的状态分为压铸态、退火态和 T6时效处理态3种。根据6063合金的热处理规范，对材料进行热处理。复合材料热处理工艺见表1。

表1 复合材料热处理工艺Tab.1 Heat treatment process of composite material

图2 热处理工艺曲线Fig.2 Heat treatment curve

2 结果与分析

2.1 显微组织分析

将未经过热处理的铸态试样研磨、抛光，得到复合材料的金相显微照片，如图3所示。SiC增强体颗粒几何形状呈不规则的凸多面体（金相上看是不规则多边形），这种几何形状上的不规则主要是由制造、加工方法决定。这种SiC颗粒是由尺寸很大的高强度的SiC晶体经破碎、研磨、筛选而成，在这个过程中，脆性的SiC经反复多次的断裂形成小颗粒，自然会有许多棱角。

图3 不同体积分数的铸态SiCp/6063复合材料金相Fig.3 Microstructure of as cast SiCp/6063 composite material of differfent volume fraction

SiC颗粒宏观分布比较均匀，没有明显的颗粒团聚和偏聚，这有利于提高复合材料的尺寸稳定性，从而增加材料的使用寿命，从而增加封装器件的有效寿命；铸态复合材料中SiC颗粒与Al基体结合紧密，致密的组织对于电子封装基板用MMCs是很有利的，这不但能提高材料的导热性能，还能提高材料的强度和弹性模量。观察到的少量孔洞可能是在金相试样制备中掉落了SiC颗粒而形成的孔洞，也可能是材料本身存在的气孔。

2.2 导热系数分析

实验采用非稳态导热系数测试法——激光闪射法，该方法是一种测量高导热材料与小体积样品的技术，可直接测量材料的热扩散系数，然后在已知样品的比热容和密度的情况下，通过计算求得导热系数的数值。SiCp/6063复合材料导热系数见表2。

表2 SiCp/6063复合材料导热系数Tab.2 Thermal conductivity values of SiCp/6063 Composites

图4 SiCp/6063复合材料热导率Fig.4 Thermal conductivity of SiCp/6063 composites

根据表2和图4发现，退火处理使材料的热导率大幅度增加。这主要是由于退火处理降低了基体合金中的内应力，减少了基体中的缺陷，从而使材料中的电子运动更加迅速。

时效处理会在一定程度上降低材料的热导率，分析原其因，主要是因为时效处理后材料内部产生了大量的G.P.区，造成基体合金铝的晶格畸变，从而阻碍了材料内部声子和电子的自由振动，使声子和电子的平均自由程降低，从而导致材料的热导率下降。

目前，计算复合材料热导率的理论模型主要有以下4种：

1) 混合定律(ROM)：

式中：λc,λm,λp分别表示复合材料、基体和增强体颗粒的热导率；xm,xp分别为基体合金与增强体的体积分数。

2) 麦克斯韦(Maxwell)研究了两相和多相混合物的导热性能，得到了热导率的表达式为：

式中：r为基体热导率与增强体热导率的比值，即r=λm/λp。

3) Hiroshi. Hatta和 Minoru. Taya等人基于Eshelby等效夹杂理论，综合考虑了不同增强体形状的影响，得到了复合材料有效热导率的一般形式。特别地，对于颗粒增强金属基复合材料，其热导率计算公式为：

根据材料手册中关于6063和SiC的数据，通过各模型计算得到复合材料热导率，并与实测值进行比较，所得结果见表 3。表 3中的数据分别是 ROM,Maxwell, H-M 三种理论模型预测的和实际测量的热导率。从表3可看出，虽然Maxwell模型与H-M模型建立的出发点不同，但预测结果几乎相同。与实测值比较可以发现，上述两模型的计算值都大于SiCp/6063复合材料热导率的实测值，这主要是由于复合材料中的界面、微孔等缺陷造成其热导率下降，可见复合材料性能的提高还有很大的空间。

表3 复合材料热导率理论预测与实测值比较Tab.3 Comparison of theoretical and measured values of thermal conductivity of composite materials W/(m·K)

2.3 热膨胀系数分析

用 NETZSCH Proteus对数据进行处理，并对复合材料的热膨胀原始曲线进行处理，得到复合材料的热膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expansion)曲线见图5。

从图5可以看出，随着温度的升高，3种体积分数 2种状态复合材料的热膨胀系数都呈先升高、到300 ℃左右开始下降、再到 420 ℃左右又升高的趋势，其热膨胀系数的变化趋势有别于金属及其他复合材料膨胀系数的变化趋势。其中铸态复合材料的热膨胀系数在300 ℃左右有明显的尖峰。

图5 SiCp/6063复合材料热膨胀系数Fig.5 Thermal expansion coefficient of SiCp/6063 composites

不同体积分数复合材料热膨胀系数曲线见图6，可以看出，对比 3种体积分数的复合材料，随着增强体 SiC颗粒体积分数的增加，热膨胀系数整体上呈减小趋势，这一点在铸态复合材料的热膨胀系数对比中尤其明显。这是由于 SiC颗粒的膨胀系数较小，从而阻止了复合材料的热膨胀。

不同状态复合材料热膨胀系数曲线见图 7，可知，在大约 200 ℃之前的温度区间，铸态的热膨胀系数较退火态的为低，退火态的热膨胀系数增长较快，且铸态的热膨胀系数在 30～40 ℃区间出现小幅度的回落；当温度高于 200 ℃后，铸态的热膨胀系数快速增加并超过退火态；退火态热膨胀系数在整个升温区间内都比较均匀，而铸态的热膨胀系数波动比较大，这可能是由于温度的升高导致铸态材料内部应力释放，从而使得材料进一步膨胀。

图6 不同体积分数复合材料热膨胀系数曲线Fig.6 Thermal expansion coefficient curves of composites with different volume fractions

图7 不同体积分数不同状态下的复合材料热膨胀系数曲线Fig.7 Coefficient of thermal expansion of composite materials with different states

3 结论

系统研究了3种颗粒体积分数的SiCp/6063复合材料在3种热处理状态下的导热性能和热膨胀性能，结果表明。

1) SiCp/6063复合材料的热导率达到了 210 W/(m·K)，热膨胀系数为 10.5×10−6℃−1，基本达到电子封装用基板材料高热导、低热膨胀的要求。

2) SiCp/6063复合材料经退火处理后，相较于铸态其热导率明显增加；T6时效处理后，热导率相比退火态增加较少，但仍满足电子封装的使用要求。

3) 复合材料热膨胀系数随着温度的升高，呈先增加接着减小后又增加的固定模式；SiCp/6063复合材料经退火处理后，热膨胀系数随温度的变化较铸态下的变化更稳定，这是由于退火处理减少了材料中的缺陷，减小了挤压铸造过程产生的残余应力，使性能更加稳定。

[1] 高尚通, 毕克允. 现代电子封装技术[J]. 半导体情报,1998, 35(2): 9—13.GAO Shang-tong, BI Ke-yun. Modern Electronic Packaging Technology[J]. Semiconductor Information, 1998,35(2): 9—13.

[2] BARRETT J. Electronic Systems Packaging: Future Reliability Challenges[J]. Microelectron Reliab, 1998, 38:1277—1286.

[3] 刘文俊. 高密度高性能电子封装技术[J]. 电子产品世界, 1998(8): 38—40.LIU Wen-jun. High Density and High Performance Electronic Package Technology[J]. Electronic Engineering &Product World, 1998(8): 38—40.

[4] 武高辉, 张强, 姜龙涛, 等. SiCp/Al复合材料在电子封装应用中的基础研究[J]. 电子元件与材料, 2003, 22(6):27—29.WU Gao-hui, ZHANG Qiang, JIANG Long-tao, et al.Fundamental Study of SiCp/Al Composites in Electronic Packaging Applications[J]. Electronic Components &Materials, 2003, 22(6): 27—29.

[5] 张强, 孙东立, 武高辉. 电子封装基片材料研究进展[J].材料科学与工艺, 2000, 8(4): 66—72.ZHANG Qiang, SUN Dong-li, WU Gao-hui. Recent Achievements in Research for Electronic Packaging Substrate Materials[J]. Materials Science and Technology,2000, 8(4): 66—72.

[6] KEVIN A M, YOGENDRA K J. High Performance Packaging Materials and Architectures for Improved Thermal Management of Power Electronics[J]. Future Circuits Int, 2001(7): 45—49.

[7] 龙乐. 电子封装中的铝碳化硅及其应用[J]. 电子与封装, 2006, 6(6): 16—20.LONG Le. AISiC Metal Matrix Composites and Its Application in Microelectronics Packaging[J]. Electronics and Packaging, 2006, 6(6): 16—20.

[8] 吴泓, 王志法, 郑秋波, 等. 铜基电子封装复合材料的回顾与展望[J]. 中国钼业, 2006, 30(3): 30—32.WU Hong, WANG Zhi-fa, ZHENG Qiu-bo, et al. The Review and Prospect of Copper-Mstrix Com Posites for Electronic Packaging[J]. China Molybdenum Industry,30(3): 30—32.

[9] 陈国钦. 电子封装铜基复合材料的制备与性能研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.CHEN Guo-qin. Fabrication and Properties of Copper Composites for Electronic Packing Application[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.

[10] 江东亮, 李龙土, 欧阳世翕等. 中国材料工程大典第八卷[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.JIANG Dong-liang, LI Long-tu, OUYANG Shi-xi, et al.Chinese Material Engineering Canon Vol.8[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2006.

[11] WEYANT J, GARNER S, JOHNSON M, et al. Heat Pipe Embedded AlSiC Plates for High Conductivity-low CTE Heat Spreaders[C]// Thermal and Thermo Mechanical Phenomena in Electronic Systems, 2010: 1—6.

[12] 何鹏, 林铁松, 杭春进. 电子封装技术的研究进展[J].焊接, 2010(1): 25—29.HE Peng, LIN Tie-song, HANG Chun-jin. Development of Electronic Packaging Technology[J]. Welding & Joining, 2010(1): 25—29.

[13] LIU X, CAO D F, MEI H, et al. Effect of Particle Shapes on Effective Strain Gradient of SiC Particle Reinforced Aluminum Composites[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013: 419.

[14] 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): 22—25.HUANG Qiang, GU Ming-yuan. Research Progress of Composites for Electronic Packaging Materials[J]. Electronics and Packaging, 2003(3): 22—25.

[15] JOHNSTON C, YOUNG R. Advanced Thermal Management Materials[J]. International New Microsystems MEMs, 2000, 2(1): 14—15.

[16] ZWEBEN C. Advances in Composite Materials for Thermal Management in Electronic Packaging[J]. JOM, 1998,50(6): 47—51.

[17] HILLS Dix. Metal Mtrix Composites Cools Avionics[J].Electron Packaging Prod, 1994, 34(12): 21.

Preparation and Properties of SiCp/6063 Composites for Electronic Packaging

XIU Zi-yang,ZHANG Qiang,WANG Zi-ming,JIANG Han
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The paper aims to study influences of volume fraction and heat treatment process on thermo physical properties of SiCp/6063 composite, and to prepare an aluminum matrix composite for improving the thermal management ability of electronic packaging. SiCp/6063 composites with volume fractions of 55%, 60% and 65% were prepared by squeeze casting. Heat treatment of aluminum matrix composites with different volume fraction was carried out to compare the performance differences of the composite in the die casting, annealed and T6 aging treatments. SiC particles were uniformly distributed in the aluminum matrix, and the silicon carbide and aluminum had good bonding. The composite material had compact structure, no tiny cavities and obvious defects. The average thermal expansion coefficient of SiCp/6063 composites was about 10×10−6～13×10−6℃−1at the temperature range of 20～50 ℃. The thermal conductivity was about 200～220 W/(m·K), which basically met the requirements of the electronic packaging substrate materials. With the increase of temperature, the thermal expansion coefficient of the composite increases first and then drops after transient increase; the thermal expansion coefficient of the composites decreases with the increase of volume fraction; thermal conductivity of SiCp/6063 composites increases significantly after annealing treatment.

composite material; electronic packaging; SiC; thermal conductivity

2017-11-16

修子扬（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向为电子封装用复合材料。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.011

TB331；TN405

A

1674-6457(2018)01-0091-06