新型电子封装Si_Al合金的基础研究

FOUNDRYTECHNOLOGYVol.30No.3Mar.2009

新型电子封装Si2Al合金的基础研究

尧军平,张 磊,杨 滨,陈美英

100083)

摘要:对传统金属电子封装材料的研究开发现状进行了简单评述。利用喷射沉积成形技术制备了Si2Al(含硅量50%~70%)合金。这种合金具有细小均匀的显微组织,同时具有低热膨胀系数、高热传导率和低密度等特点,加工性能和封装工艺性能良好。

关键词:电子封装;Si2Al合金;喷射成形

中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0320370204

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(1.南昌航空大学材料科学与工程学院,江西南昌330063;2.北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京

FundamentalStudyofNovelSi2AlElectronicPackagingMaterials

YAOJun2ping1,ZHANGLei1,YANGBin2,CHENMei2ying2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NanchangUniversityofAeronautics,Nanchang330063,China;2.StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials,BeijingUniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China)

Abstract:Theresearchanddevelopmentofthetraditionalpackagingmaterialsisbrieflyreviewed.Inthisinvestigation,Si2Alalloyswith50~70wt%Siwerefabricatedbysprayforming.Thealloyspreparedhavefineandhomogeneousmicrostructure,andlowerthermalexpansioncoefficient,higherheatconductivityandlowerdensitywhencomparedwiththetraditionalpackagingmaterials.Keywords:Electronicpackaging;Si2Alalloy;Sprayforming

现代科学技术的发展对材料的要求日益提高。近年来,随着电子封装业向高密度、高速度方向发展,开发具有良好导热能力的材料,以满足集成度提高带来的散热要求成为当务之急[1]。

电子封装材料主要分为树脂基封装材料、陶瓷基封装材料和金属基封装材料三类。理想的先进电子封装材料应该具有与砷化镓和硅等典型半导体材料相匹配,或略高的热膨胀系数(Coefficientofthermalex2pansion,简称CTE)、高的热传导率(>100W/m#K)和低的密度(<3g/cm)。此外,希望封装材料具有合理的刚度(>100GPa),可以为对机械作用敏感的部件和基板提供足够的机械支撑。它还需要易于进行精密加工成形,并可利用经济的工业标准方法,如电镀等,进行涂装处理。金属封装因其外壳可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融合为一体,

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使封装形状多样化,散热快,体积小,成本低,而且还有利于减小信号间的电感、电容及串扰等,而成为一类重要的封装材料[2]。

1 传统金属电子封装材料存在的问题

传统的金属电子封装材料(不包括颗粒增强金属

[3,4]

基复合材料)及其关键性能如表1所示。其中,纯铝和铜通常被用作散热型电子封装材料,因为它们的热传导率高达200~390W/m#K。但是,这些材料的热膨胀系数较大,与陶瓷基片的热匹配性能差,对提高器件整体的可靠性不利。为了降低材料的热膨胀系数,将Cu与热膨胀系数较小的Mo和W混合(粉末冶金或冷轧)形成复合材料,可以获得较高的导热效果,但封装结构的重量明显增加,这对航空航天封装应用是一个致命的弱点。而且,Cu2Mo和Cu2W之间润湿性差,复合材料气密性不好,致密化程度低,封装性能受到影响。含Be的材料具有毒性,了该材料的应用。其它材料,如Kovar(Fe229Ni217Co)和Invar(Ni2Fe)合金,虽然具有较低的热膨胀系数,但电阻大,导热能力较差,只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W、Mo具有与Si相近的线膨胀系数,导热性比Kovar和Invar合金好,因此常用于半导体Si片的支撑材料。但由于W、Mo与Si的浸润性不好、可焊性

收稿日期:2009201207; 修订日期:2009201220

基金项目:中国航空科学基金(2007ZF56015)和江西省自然科学基金

(2007GZC1500)

作者简介:尧军平(19652 ),江西东乡人,博士,教授.主要从事金属基

复合材料制备技术及性能研究.

Email:yyyjpsz@126.com

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尧军平等:新型电子封装Si2Al合金的基础研究

#371#差,常需要在表面镀或涂覆特殊的Ag基合金或Ni,使工艺变得复杂且可靠性差。而且W、Mo价格较为昂

贵,密度大,不适合大量使用。由此可见,目前传统的金属电子封装材料无法满足现代电子封装综合性能的要求。

表1 典型金属电子封装材料的关键性能数据

Tab.1 Keypropertiesoftypicalmetallicelectronicpackaging

materials材料AlCuCu275%WCu285%WCu285%Mo

BeKover合金Invar合金

WMo

热膨胀系数/(20e)@10

23.617.68.87.26.77.25.80.44.455.1

-6

孔式喷嘴,工艺参数选择如下:雾化气体为氮气;雾化压力为0.8MPa;沉积距离为600mm;导流管直径为4.0mm。

图1a、b分别显示的是Si230%Al合金铸态和沉积态组织。可见,铸态组织中存在许多粗大、多角、板片状的初晶硅相。这些初晶硅大多为长条状,有的尺寸达毫米级,结果导致显微组织各向异性。这使得铸态Si230%Al合金极不适于用作电子封装材料。因为用于电子封装的板材厚度一般为1~5mm,如果采用铸态的Si230%Al合金,单个的初晶硅晶体便有可能穿透整个板厚。而且,由于板片状Si本身很脆,几乎无塑性,在其尖端和棱角部位容易造成应力集中,沿(111)面解理(硅的(111)晶面虽然具有最大的原子密度和弹性模量,但(111)晶面之间的结合力最弱),发生破碎、脱落和位移,因此将使材料极难加工到表面涂装所需的高精度质量。此外,由于存在粗大的板片状Si,使得材料的局部热膨胀系数和热传导率也将发生大幅度变化。喷射沉积Si230%Al合金的显微组织与铸态组织相比,初晶硅尺寸细小、分布均匀(图1b)。这是因为经过雾化的Si2Al合金熔滴在飞行过程中即开始形成Si的晶体,在沉积坯表面,凝固相被破碎,产生了大量的Si相形核位置,这些核心长大并相互碰撞,了Si相的长大过程,使之无法形成铸造组织中那样的孤立的、高度取向性的板片状Si,解决了铸态显微组织与性能各向异性的问题。结果使沉积坯结构上实现连贯性,产生各向同性的合金组织和性能,显然,细小的硅粒比较容易协同基体塑性变形和被刀具压入切屑或已加工表面,有利于表面的精细加工。经过适当的后续处理,消除沉积过程中形成的少量疏松后,Si2Al合金沉积坯件便可以用来制造各种高性能的封装部件。

热传导率/

2303911901801602601711168140

密度/

3

/K(k)W/m#K(Q3)g/cm

2.78.914.616.1102.98.28.119.310.2

2 新型电子封装Si2Al合金的制备与微观组织

近年来,在欧共体的资助下,英国OspreyMetalsLtd.、法国AlcatelEspace、荷兰TNO等利用喷射成形技术共同开发了Si含量高达70%的Si2Al合金[5,6]。热物理和力学性能为:CTE只有(6~8)10-6/K,热传导率大于100W/m#K,密度仅为2.4~2.5g/cm。该新型材料可用于微波线路、光电转换器、能源IC封装、电子器件和集成线路的封装等,是一类非常有前景的封装材料。由于众所周知的原因,相关技术信息对外保密。作者在多年研发喷射沉积成形技术的基础上,经过反复探索,近期也成功地制备出了Si2Al(含硅量50%~70%)合金。喷射成形实验选用环

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图1 Si230%Al合金典型金相组织

Fig.1 TypicalmicrostructuresofSi230%Alalloy

#372#

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3 新型电子封装Si2Al合金的性能3.1 热膨胀性能

图2为喷射成形Si2Al合金的线膨胀系数(CTE)与Si含量的关系。可以看出:随着硅含量的增加,Si2Al合金的线膨胀系数降低。这是由于Si的热膨胀系数((2.2@10@10

-6

-6

关系。易见,随着硅含量的增加,合金的电阻率增大。这是由于Si的电阻率比Al高得多(分别为3@1068m和2.7@10-8

8m),随Si含量增加,合金的导电性

6

能降低。但从图中可以看出,Si含量为60%~70%时,合金的电阻率保持在10-8m量级,表明基体在

该成分范围内时仍保持连续。

/K)远小于纯Al热膨胀系数(~23

/K)的缘故。这意味着通过控制Si2Al合金中

的含Si量,可以材料的热膨胀系数。另外,从图中还可以看出,喷射成形Si2Al合金的CTE与Si含量之间并非线性关系,当Si含量超过一定值(如60%Si)时,合金的CTE降低非常缓慢。因此,通常可选择60%~70%Si的Si2Al合金作为典型的封装材料。

图4 喷射成形Si2Al合金的电阻率与硅含量的关系Fig.4 RelationshipofelectricalresistivityofSi2Alalloy

preparedbysprayformingandSicontent

3.4 密度

利用阿基米德法测定了喷射成形Si2Al合金的密度。沉积态Si240%Al合金的密度为2.31g/cm,

图2 喷射成形Si2Al合金的线膨胀系数与硅含量的关系Fig.2 RelationshipoflinearexpansionfactorofSi2Alalloy

preparedbysprayformingandSicontent

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热等静压后密度为2.4486g/cm,接近于该合金的理论密度。3.5 机加工性能

高濑俊郎认为[7],初晶硅尺寸大于50Lm时,过共晶Al2Si合金的切削加工将非常困难。当初晶硅尺寸为20Lm时,利用烧结金刚石刀具,采取与铸铁件大致相同的切削条件即可顺利加工零部件。研究表明,新型喷射成形Si2Al合金易于采用普通刀具进行加工。图5为喷射成形Si250%Al合金机加工零部件示例图。零件表面粗糙度Ra[1.6Lm。钻孔时,在

3

3.2 散热性能

图3示出的是喷射沉积Si2Al合金热传导率与温度的关系。可见,随硅含量增加(从50%至60%),合金的热传导率降低。随着温度的升高,Si2Al合金的热传导率略微升高。这是由于喷射沉积Si2Al合金中,初晶硅尺寸得以明显细化,大量界面的引入,对电子和声子运动具有一定的散射作用,阻碍了材料热传导的进行。

图3 喷射成形Si2Al合金热传导率与温度的关系Fig.3 RelationshipofheatconductivityofSi2Alalloy

preparedbysprayformingandtemperature

图5 喷射成形Si250%Al合金的机加工零部件(25mm@

15mm@5mm)

Fig.5 Machingcomponentwithdimensionsof25@15@

5mmfromSi250wt%Alalloypreparedbysprayforming

3.3 电阻特性

图4为喷射成形Si2Al合金的电阻率与硅含量的

5铸造技术603/2009

尧军平等:新型电子封装Si2Al合金的基础研究

参考文献

#373#钻头上涂一层很薄(<10Lm)的多晶金刚石(PCD)涂层,可避免孔口的塌陷。4 结论

喷射成形Si2Al合金已被证明是一个综合性能满足先进电子封装要求的材料体系。Si2Al(含Si量50%~80%)合金的主要性能特点包括:

(1)均匀、各向同性的优异物理性能:低热膨胀系数(可根据需求调节,范围为4.8~17(10

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-6

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/K);

低密度(2.4~2.5g/cm);高热导率(>100W/m#K)。

(2)良好的可加工和封装工艺性能:采用碳化物或多晶金刚石刀具可以容易地获得较高的加工精度;易于加工成不同的形状(包括各种凹槽、窄槽和边角等);环境友好,不含有害健康的元素,易于循环处理。它的研制成功将使其成为广泛适用于电讯、航空、航天、国防和其它各种相关工业应用的电子元器件所需的新型封装或散热材料,具有重要的工程实用价值。