修子揚，張強，王子鳴，蔣涵

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

電子封裝用SiCp/6063復合材料的制備與性能研究

修子揚，張強，王子鳴，蔣涵

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

目的 研究體積分數(shù)與熱處理工藝對SiCp/6063復合材料熱物理性能的影響規(guī)律，制備一種提高電子封裝熱管理能力的鋁基復合材料。方法 采用擠壓鑄造法制備體積分數(shù)分別為55%, 60%, 65%的SiCp/6063復合材料，對不同體積分數(shù)的鋁基復合材料分別進行熱處理，比較復合材料在壓鑄態(tài)、退火態(tài)和T6時效處理態(tài)的性能差異。結果 碳化硅顆粒均勻地分布在鋁基體中，碳化硅和鋁的結合良好，組織致密，沒有微小的空洞和明顯的缺陷。SiCp/6063復合材料在20～50 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，其平均熱膨脹系數(shù)約在10×10?6～13×10?6℃?1，導熱系數(shù)為200～220 W/(m·K)，已經(jīng)基本滿足電子封裝基板材料的性能要求。結論 隨著溫度的升高，復合材料的熱膨脹系數(shù)呈先增加后短暫回落再增加的趨勢；復合材料的熱膨脹系數(shù)隨著增強體體積分數(shù)的增加而減??；退火處理后SiCp/6063復合材料的熱導率明顯增加。

復合材料；電子封裝；碳化硅；熱導率

電子封裝技術為了滿足高密度、小型化、大功率IC的性能要求，對理想封裝材料特性提出如下要求：① 良好的導熱性能；② 相匹配的熱膨脹系數(shù)；③ 足夠的強度和剛度；④ 較好的機械加工性能；⑤ 盡可能低的材料成本。此外，針對在航空、航天和空間技術領域及民用移動通信設備方面的特殊應用要求，還需要具有較低的密度[1—4]。

在封裝技術發(fā)展遠落后于IC發(fā)展的今天，隨著電子工業(yè)的大力發(fā)展，特別是大功率電子元件的廣泛應用，提出的對電子封裝基板材料高熱導率、低熱膨脹的要求，必將使電子封裝基板材料成為材料科學研究領域的熱點之一[5]。

傳統(tǒng)的封裝材料中，Cu和Al具有高熱導率，一般可用作功率器件的底座或熱沉，由于其膨脹系數(shù)較大，與陶瓷基片的熱匹配性能差，將引起器件整體的可靠性降低；Kovar合金的膨脹系數(shù)較小，并具有良好的焊接性能，但是熱導率低，且密度較大；Mo, W, W-Cu和Mo-Cu材料的熱膨脹系數(shù)和熱導率都較合適，但是密度較大、可焊性差；Be-BeO復合材料性能優(yōu)異，但是有劇毒，價格昂貴，限制了材料的應用。由此可見，這些材料無法兼顧電子封裝綜合性能的要求。

近年來，顆粒增強金屬基復合材料(PMMCs)由于其良好的強度、結構剛度、尺寸穩(wěn)定性和熱物理性能，為設計師們提供了高溫下應用的許多優(yōu)勢。通過改變增強體的種類、體積分數(shù)、粒徑配比、排列方式，或者基體合金的成分，或者熱處理工藝，就可以得到一系列多種不同性能的材料；通過添加高體積分數(shù)的增強體降低材料熱膨脹系數(shù)，完全可以做到同電子元器件材料（Si、GaAs等）CTE相匹配，同時又具有高的導熱性能和低密度[5,11—17]。

文中通過擠壓鑄造法制備高體積分數(shù) SiCp/6063復合材料，對不同體積分數(shù)的鋁基復合材料分別進行熱處理；系統(tǒng)探究體積分數(shù)、熱處理工藝等因素對SiCp/6063復合材料的微觀組織、力學性能和熱物理性能等影響規(guī)律，為制備符合電子封裝基板材料要求的鋁基復合材料提供依據(jù)。

1 實驗材料及方案

1.1 原材料

實驗材料采用擠壓鑄造法制備出體積分數(shù)分別為55%, 60%, 65%的SiCp/6063復合材料，基體材料為工業(yè)用6063鋁合金，增強體為平均粒徑30 μm的碳化硅顆粒粉末。復合材料經(jīng)過機械加工制備出各種尺寸的測試試樣。

擠壓鑄造法是將增強體顆粒粉末裝入模具中，在一定溫度下保溫制成具有一定形狀和體積分數(shù)的預制塊，隨后將熔融的鋁合金液倒入模具腔中，并加壓使鋁液強行滲透到多孔隙的預制塊中，然后冷卻凝固形成復合材料的一種制備方法，見圖1。

圖1 擠壓鑄造法示意圖Fig.1 Sketch map of squeeze casting process

1.2 熱處理工藝

所用復合材料的狀態(tài)分為壓鑄態(tài)、退火態(tài)和 T6時效處理態(tài)3種。根據(jù)6063合金的熱處理規(guī)范，對材料進行熱處理。復合材料熱處理工藝見表1。

表1 復合材料熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of composite material

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 Heat treatment curve

2 結果與分析

2.1 顯微組織分析

將未經(jīng)過熱處理的鑄態(tài)試樣研磨、拋光，得到復合材料的金相顯微照片，如圖3所示。SiC增強體顆粒幾何形狀呈不規(guī)則的凸多面體（金相上看是不規(guī)則多邊形），這種幾何形狀上的不規(guī)則主要是由制造、加工方法決定。這種SiC顆粒是由尺寸很大的高強度的SiC晶體經(jīng)破碎、研磨、篩選而成，在這個過程中，脆性的SiC經(jīng)反復多次的斷裂形成小顆粒，自然會有許多棱角。

圖3 不同體積分數(shù)的鑄態(tài)SiCp/6063復合材料金相Fig.3 Microstructure of as cast SiCp/6063 composite material of differfent volume fraction

SiC顆粒宏觀分布比較均勻，沒有明顯的顆粒團聚和偏聚，這有利于提高復合材料的尺寸穩(wěn)定性，從而增加材料的使用壽命，從而增加封裝器件的有效壽命；鑄態(tài)復合材料中SiC顆粒與Al基體結合緊密，致密的組織對于電子封裝基板用MMCs是很有利的，這不但能提高材料的導熱性能，還能提高材料的強度和彈性模量。觀察到的少量孔洞可能是在金相試樣制備中掉落了SiC顆粒而形成的孔洞，也可能是材料本身存在的氣孔。

2.2 導熱系數(shù)分析

實驗采用非穩(wěn)態(tài)導熱系數(shù)測試法——激光閃射法，該方法是一種測量高導熱材料與小體積樣品的技術，可直接測量材料的熱擴散系數(shù)，然后在已知樣品的比熱容和密度的情況下，通過計算求得導熱系數(shù)的數(shù)值。SiCp/6063復合材料導熱系數(shù)見表2。

表2 SiCp/6063復合材料導熱系數(shù)Tab.2 Thermal conductivity values of SiCp/6063 Composites

圖4 SiCp/6063復合材料熱導率Fig.4 Thermal conductivity of SiCp/6063 composites

根據(jù)表2和圖4發(fā)現(xiàn)，退火處理使材料的熱導率大幅度增加。這主要是由于退火處理降低了基體合金中的內(nèi)應力，減少了基體中的缺陷，從而使材料中的電子運動更加迅速。

時效處理會在一定程度上降低材料的熱導率，分析原其因，主要是因為時效處理后材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的G.P.區(qū)，造成基體合金鋁的晶格畸變，從而阻礙了材料內(nèi)部聲子和電子的自由振動，使聲子和電子的平均自由程降低，從而導致材料的熱導率下降。

目前，計算復合材料熱導率的理論模型主要有以下4種：

1) 混合定律(ROM)：

式中：λc,λm,λp分別表示復合材料、基體和增強體顆粒的熱導率；xm,xp分別為基體合金與增強體的體積分數(shù)。

2) 麥克斯韋(Maxwell)研究了兩相和多相混合物的導熱性能，得到了熱導率的表達式為：

式中：r為基體熱導率與增強體熱導率的比值，即r=λm/λp。

3) Hiroshi. Hatta和 Minoru. Taya等人基于Eshelby等效夾雜理論，綜合考慮了不同增強體形狀的影響，得到了復合材料有效熱導率的一般形式。特別地，對于顆粒增強金屬基復合材料，其熱導率計算公式為：

根據(jù)材料手冊中關于6063和SiC的數(shù)據(jù)，通過各模型計算得到復合材料熱導率，并與實測值進行比較，所得結果見表 3。表 3中的數(shù)據(jù)分別是 ROM,Maxwell, H-M 三種理論模型預測的和實際測量的熱導率。從表3可看出，雖然Maxwell模型與H-M模型建立的出發(fā)點不同，但預測結果幾乎相同。與實測值比較可以發(fā)現(xiàn)，上述兩模型的計算值都大于SiCp/6063復合材料熱導率的實測值，這主要是由于復合材料中的界面、微孔等缺陷造成其熱導率下降，可見復合材料性能的提高還有很大的空間。

表3 復合材料熱導率理論預測與實測值比較Tab.3 Comparison of theoretical and measured values of thermal conductivity of composite materials W/(m·K)

2.3 熱膨脹系數(shù)分析

用 NETZSCH Proteus對數(shù)據(jù)進行處理，并對復合材料的熱膨脹原始曲線進行處理，得到復合材料的熱膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)曲線見圖5。

從圖5可以看出，隨著溫度的升高，3種體積分數(shù) 2種狀態(tài)復合材料的熱膨脹系數(shù)都呈先升高、到300 ℃左右開始下降、再到 420 ℃左右又升高的趨勢，其熱膨脹系數(shù)的變化趨勢有別于金屬及其他復合材料膨脹系數(shù)的變化趨勢。其中鑄態(tài)復合材料的熱膨脹系數(shù)在300 ℃左右有明顯的尖峰。

圖5 SiCp/6063復合材料熱膨脹系數(shù)Fig.5 Thermal expansion coefficient of SiCp/6063 composites

不同體積分數(shù)復合材料熱膨脹系數(shù)曲線見圖6，可以看出，對比 3種體積分數(shù)的復合材料，隨著增強體 SiC顆粒體積分數(shù)的增加，熱膨脹系數(shù)整體上呈減小趨勢，這一點在鑄態(tài)復合材料的熱膨脹系數(shù)對比中尤其明顯。這是由于 SiC顆粒的膨脹系數(shù)較小，從而阻止了復合材料的熱膨脹。

不同狀態(tài)復合材料熱膨脹系數(shù)曲線見圖 7，可知，在大約 200 ℃之前的溫度區(qū)間，鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)較退火態(tài)的為低，退火態(tài)的熱膨脹系數(shù)增長較快，且鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)在 30～40 ℃區(qū)間出現(xiàn)小幅度的回落；當溫度高于 200 ℃后，鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)快速增加并超過退火態(tài)；退火態(tài)熱膨脹系數(shù)在整個升溫區(qū)間內(nèi)都比較均勻，而鑄態(tài)的熱膨脹系數(shù)波動比較大，這可能是由于溫度的升高導致鑄態(tài)材料內(nèi)部應力釋放，從而使得材料進一步膨脹。

圖6 不同體積分數(shù)復合材料熱膨脹系數(shù)曲線Fig.6 Thermal expansion coefficient curves of composites with different volume fractions

圖7 不同體積分數(shù)不同狀態(tài)下的復合材料熱膨脹系數(shù)曲線Fig.7 Coefficient of thermal expansion of composite materials with different states

3 結論

系統(tǒng)研究了3種顆粒體積分數(shù)的SiCp/6063復合材料在3種熱處理狀態(tài)下的導熱性能和熱膨脹性能，結果表明。

1) SiCp/6063復合材料的熱導率達到了 210 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為 10.5×10?6℃?1，基本達到電子封裝用基板材料高熱導、低熱膨脹的要求。

2) SiCp/6063復合材料經(jīng)退火處理后，相較于鑄態(tài)其熱導率明顯增加；T6時效處理后，熱導率相比退火態(tài)增加較少，但仍滿足電子封裝的使用要求。

3) 復合材料熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高，呈先增加接著減小后又增加的固定模式；SiCp/6063復合材料經(jīng)退火處理后，熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化較鑄態(tài)下的變化更穩(wěn)定，這是由于退火處理減少了材料中的缺陷，減小了擠壓鑄造過程產(chǎn)生的殘余應力，使性能更加穩(wěn)定。

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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

修子揚（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為電子封裝用復合材料。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.011

TB331；TN405

A

1674-6457(2018)01-0091-06