近年來,隨著電子信息的迅速發(fā)展,集成芯片系統(tǒng)集成度和運(yùn)行速度已經(jīng)得到了大幅度的提高,導(dǎo)致芯片系統(tǒng)因升溫而造成失效的可能性不斷加大,因此,開發(fā)出一種密度高且散熱功率高的電子封裝材料迫在眉睫?為了研發(fā)出高性能的電子封裝材料,在過去幾十年里,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界基于電子封裝材料的使用?燒結(jié)溫度及制備方法等方面做出了大量研究工作?目前關(guān)于復(fù)合材料電子封裝材料研究的文獻(xiàn)很多,但是還存在一些問題?回顧了近幾十年銅基復(fù)合材料的制備,研究銅基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了銅基復(fù)合材料的特性?針對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì),預(yù)測(cè)了碳化硅銅基電子封裝材料未的應(yīng)用前景,以期望能為我國金屬制造業(yè)的相關(guān)工作提高一些啟示?

1碳化硅銅基電子封裝材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

電子封裝是使內(nèi)部的芯片信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)端口,并且讓輸入端口由內(nèi)向外過鍍,從而保證信號(hào)可以正常傳輸?對(duì)器件進(jìn)行電子封裝的密封保護(hù)在一定程度上可以阻擋周圍環(huán)境對(duì)于材料影響,除了對(duì)外部有影響之外,對(duì)內(nèi)部而言,電子封裝能夠?qū)⑿酒暇奂臒崃總鬏數(shù)酵饨?起到散熱的作用?因此,新一代電子封裝材料需要有更好的導(dǎo)熱性,高溫硬度,耐蝕性以及良好的韌性?

1.1碳化硅銅基電子封裝材料基體的應(yīng)用

金屬基電子封裝材料其基體一般為金屬鋁?銅及其合金?純銅雖然有良好的導(dǎo)電性?導(dǎo)熱性以及塑性變形能力,但是其強(qiáng)度?硬度和耐磨性較差,熱膨脹系數(shù)約為17×10-6K-1,為了降低其熱膨脹系數(shù),得到良好性能的電子封裝材料,將金剛石顆粒?碳化硅顆粒?碳纖維等熱膨脹系數(shù)與密度均較低的增強(qiáng)相與銅基復(fù)合得到碳化硅銅基復(fù)合電子封裝材料,該材料同時(shí)兼?zhèn)淞私饘巽~的性能和碳化硅的優(yōu)點(diǎn),使得以銅為基體的復(fù)合材料更有希望成為新一代電子封裝材料?但是由于SiCp/Cu間的界面反應(yīng)很難控制,導(dǎo)致界面熱阻大大降低導(dǎo)熱性能,所以其有效熱導(dǎo)率并未提高,而如何改善SiCp與Cu間的濕潤性?控制界面反應(yīng),也成了現(xiàn)在電子封裝領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)方向?

1.2碳化硅銅基電子封裝材料增強(qiáng)體的應(yīng)用

金屬基電子封裝材料的增強(qiáng)相主要為金屬鎢?鉬,碳纖維?金剛石和陶瓷等?其中,以金屬顆粒W?Mo為增強(qiáng)相的第一代金屬基電子封裝材料,也是目前應(yīng)用最為廣泛的金屬基電子封裝材料?現(xiàn)階段在我們所知所用的這些以銅為基體的復(fù)合材料中,SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是研究的熱點(diǎn),特別是其中的SiCw和SiCp增強(qiáng)復(fù)合材料,其非長纖維增強(qiáng)才是復(fù)合材料未來研究和發(fā)展的主要前景?而國內(nèi)外對(duì)于此方面的研究可以說非常積極,香港城市大學(xué)Tjong.S.C等制備SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是利用了熱等靜壓法完成的,在制備完成后檢測(cè)了復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度?耐磨性和硬度?

2碳化硅銅基復(fù)合材料的常見制備方法

SiC/Cu復(fù)合材料制備的主要途徑有:粉末冶金法?熔體浸滲法?放電等離子燒結(jié)法?

2.1粉末冶金法

粉末冶金法制備銅基碳化硅是通過金屬銅粉末和增強(qiáng)體碳化硅作為原料,經(jīng)過冷壓成形和熱壓燒結(jié),制造出復(fù)合材料?除了上述工藝,在一定條件下可以省去冷壓成型制生胚的步驟,直接進(jìn)行熱壓燒結(jié)同樣可以獲得顆粒碳化硅銅基復(fù)合材料?

王春華通過粉末冶金法,對(duì)其性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)采用直接混合法和電導(dǎo)真空熱壓燒結(jié)工藝制備SiC/Cu復(fù)合材料,其適宜的工藝參數(shù)是700℃,30MPa~40MPa,5min~10min?李春月等采用粉末冶金法制備的電子封裝材料,其在950℃下進(jìn)行真空燒結(jié)2.5h后保溫,所得到的材料經(jīng)過密度的測(cè)定,材料的密度只能達(dá)到88.7%,隨后再次處理該材料,進(jìn)行復(fù)燒處理,溫度保持950℃?壓力為400MPa,結(jié)果顯示密度為90%以上?

2.2熔體浸滲法

熔體浸滲法第一步是先把增強(qiáng)相預(yù)制成形,第二步是將合金熔體倒入,從而在熔體的毛細(xì)現(xiàn)象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預(yù)制體間隙而達(dá)到復(fù)合化的目的?按照施壓方式可以分為壓力浸滲?無壓浸滲和負(fù)壓浸滲三種?

壓力浸滲法最早是由美國鋁業(yè)公司開發(fā)的,是通過真空壓鑄法制備高體積分?jǐn)?shù)的SiC/Al復(fù)材料獲得成功,因?yàn)槠渚哂袃r(jià)格低廉?性能優(yōu)異等特點(diǎn),因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子封裝材料的商業(yè)出售中;張廣安等人采用擠壓浸滲法制備了短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,研究了浸滲壓力?液澆注溫度?纖維預(yù)熱溫度等因素對(duì)復(fù)合材料組織的影響?結(jié)果表明:鋁液澆注溫740℃~800℃,預(yù)制塊預(yù)熱溫度350℃~400℃,浸滲壓力2MPa~5MPa是制備復(fù)合材料最合適的工藝參數(shù)?

無壓浸滲是將高溫下熔融金屬通過毛細(xì)管效應(yīng)浸滲到預(yù)制體中?該方法設(shè)備簡(jiǎn)單?成本低,但增強(qiáng)相和金屬基體之間的潤濕性依舊是個(gè)大問題?1986年,美國Lanxide公司在采用直接金屬氧化法制備Al2O3基復(fù)合材料的工藝基礎(chǔ)上提出了合金熔體自浸滲法(無壓浸滲法)?結(jié)果表明,隨Al2O3含量增加,復(fù)合材料的楊氏模量?強(qiáng)度均有所提高?

負(fù)壓浸滲即真空壓力浸滲法,通過將增強(qiáng)相預(yù)制塊放在預(yù)制模具中,抽真空并通入保護(hù)氣氛,將氣體按一定壓力注入熔煉爐,直至金屬液體完全浸滲預(yù)制體,從而復(fù)合材料?該方法最大的特點(diǎn)是適用于制備高精細(xì)復(fù)合材料,可以大規(guī)模生產(chǎn)?徐志峰采用真空變壓力浸滲法制備高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料?結(jié)果表明,該方法具有良好的滲流和凝固條件,避免了氣體和夾雜物的裹入等問題?

2.3放電等離子燒結(jié)法

SPS是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的一種新型材料制備?與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比,SPS具有升溫快,節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),而且最終樣品均勻,密度高?缺點(diǎn)則是不能批量生產(chǎn)?

許彬彬等人將SiC和Cu粉稱重配比,用SPS設(shè)備燒結(jié)?結(jié)果表明:隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的減少(從70%到50%),材料致密度逐漸提高;隨著SiC粒徑的減少,材料的致密度也提高?在材料未達(dá)到完全致密的情況下,材料的熱導(dǎo)率主要受致密度的影響?

3碳化硅銅基電子封裝材料的研究現(xiàn)狀

3.1碳化硅銅基復(fù)合材料的性質(zhì)

SiC/Cu復(fù)合材料具有250-325W/mK高的熱傳導(dǎo)系數(shù)和在8.0-12.5ppm/℃范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)等一系列的高溫高導(dǎo)性能,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用前景,只是界面反應(yīng)和膨脹系數(shù)的不匹配限制了這些性能,因此對(duì)SiC/Cu復(fù)合材料的研究遠(yuǎn)沒有對(duì)SiC/Al復(fù)合材料那么早和廣泛?

根據(jù)Rado報(bào)道,早在1969年就有對(duì)SiC-Cu系統(tǒng)的潤濕和反應(yīng)得出結(jié)果,高真空?1100℃下Cu在α-SiC界面的潤濕角e=1400,同時(shí)有Cu-Si固溶體和石墨生成?研究結(jié)果表明,SiC-Cu系統(tǒng)反應(yīng)包括Si溶解于液相Cu中,同時(shí)形成石墨;而純Cu和Cu-Si合金則能更好地潤濕SiC(θ<90°),然而,正是由此過程形成的石墨,降低了Cu對(duì)SiC潤濕性?

根據(jù)以色列科學(xué)家Pelleg于1996年的報(bào)道,碳化硅銅基復(fù)合材料體系的研究也就近一二十年的歷史?在此之后對(duì)SiC/Cu復(fù)合材料的研究主要集中在潤濕?反應(yīng)?界面結(jié)合熱性能?耐腐蝕性?摩擦性能及相關(guān)應(yīng)用等?根據(jù)Pelleg的研究可以得出SiCf/Cu復(fù)合材料可以在600℃~860℃的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定存在?但是當(dāng)溫度高于860℃時(shí),即使是有Fe存在的情況下,界面反應(yīng)仍依舊十分嚴(yán)重?

3.2本領(lǐng)域存在的問題

第一,金屬Cu和SiC之間的潤濕性較差,如何提高金屬Cu和SiC陶瓷之間的潤濕性是科研工作者的重大難題?

第二,如何優(yōu)化生產(chǎn)流程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是銅基復(fù)合材料的重要研究方向?而涉及到的界面的問題是復(fù)合材料的核心問題,對(duì)于晶體界面和增強(qiáng)體的界面來說,缺乏相對(duì)完善的理論?

第三,導(dǎo)熱性和熱膨脹性不匹配?如何在合適的高溫條件下,二者界面的達(dá)到穩(wěn)定,獲得兼具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性的材料?

4結(jié)語

針對(duì)集成芯片系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗也越來越大,發(fā)熱量不斷增加,芯片系統(tǒng)因升溫而造成失效的可能性不斷加大,以β-SiC增強(qiáng)體和銅粉的復(fù)合材料制備為研究對(duì)象,對(duì)燒結(jié)工藝開展深入研究,重點(diǎn)研究SiC顆粒尺度?SiC顆粒配比和燒結(jié)溫度對(duì)SiC/Cu復(fù)合材料致密度和導(dǎo)熱性的影響,闡明SiC/Cu復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理,確定研究SiC/Cu復(fù)合材料的最佳冷壓和熱壓(燒結(jié))工藝將對(duì)豐富銅基復(fù)合材料致密化理論和燒結(jié)理論,為電子封裝材料的研制提供新的制備技術(shù),具有比較重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值?

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