铝碳化硅及其在电子封装中的应用有哪些？

AlSiC铝基碳化硅是目前机加工领域中相对比较偏门的门类，这种材料和金属及陶瓷都不相同。它既有着陶瓷的硬度，又有着金属的韧性，因此在加工的时候要特别注意，要摸清材料的加工特性，才能做出比较好的产品。今天小编就来说说AlSiC的相关内容，希望可以帮到大家。
一、铝碳化硅及其在电子封装中的应用
1、封装AlSiC特性
封装金属材料用作支撑和保护半导体芯片的金属 底座与外壳，混合集成电路HIC的基片、底板、外 壳，构成导热性能最好，总耗散功率提高到数十瓦, 全气密封性，坚固牢靠的封装结构，为芯片、HIC提 供一个高可靠稳定的工作环境，具体材料性能是个首 选关键问题。常用于封装的电子金属材料的主要特性 如表1所示。
在长期使用中，许多封装尺寸、外形都已标准 化、系列化，存在的主要缺陷是无法适应高性能芯片 封装要求。例如，Kovar ( 一种Fe-Co-Vi合金)和Invar (一种Fe-Ni合金）的CTE低，与芯片材料相近， 但其K值差、密度高、刚度低，无法全面满足电子 封装小型化、高密度、热量易散发的应用需求。合金 是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素 所组成的金属材料，具有其综合的优势性能。随之发 展的 M080 Cu20、Cu/ Invar/Cu、Cu/ Mo/Cu 等合金 在热传导方面优于Kovar，但其比重大于Kovar，仍不适合用作航空航天所需轻质的器件封装材料。
常用金属封装材料与CaAs芯片的微波器件封装 需求存在性能上的差距，使得研发一种新型轻质金属 封装材料,满足航空航天用器件封装成为急需，引发 相关部门调试重视。经过近些年来的深入研究，AlSiC 取得产业化进展，相继推动高硅铝合金Si/Al实用化 进程，表2示出其主要性能与常用封装材料的对比。将SiC与Al合金按一定比例和工艺结合成AlSiC后，可克服目前金属封装材料的不足，获得高K值、低 CTE、高强度、低密度导电性好的封装材料。
从产业化趋势看，AlSiC可实现低成本的、无需进一步加工的净成形(net-shape )或需少量加工的近净成形制造，还能与高散热材料（金刚石、高热传导石墨等）的经济性并存集成，满足大批量倒装芯片封 装、微波电路模块、光电封装所需材料的热稳定性及散温度均匀性要求，同时也是大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管的优选封装材料，提供良好的热循环及可靠性。
2、封装AlSiC类型
封装金属基复合材料的增强体有数种，SiC是其中应用最为广泛的一种，这是因为它具有优良的热性能，用作颗粒磨料技术成熟，价格相对较低；另一方 面，颗粒增强体材料具有各向同性，最有利于实现净 成形。AlSiC特性主要取决于SiC的体积分数(含量) 及分布和粒度大小，以及Al合金成分。依据两相比例或复合材料的热处理状态，可对材料热物理与力学性能进行设计，从而满足芯片封装多方面的性能要求。其中，SiC体积分数尤为重要，实际应用时，AlSiC与 芯片或陶瓷基体直接接触，要求CTE尽可能匹配，为 此SiC体积百分数vol通常为50%〜75%,表3示出某厂家产业化净成形AlSiC级别的详细情况。
此外，AlSiC可将多种电子封装材料并存集成， 用作封装整体化，发展其他功能及用途。研制成功将高性能、散热快的Cu基封装材料块（Cu-金刚石、Cu-石墨、Cu-BeO等）嵌人SiC预制件中，通过金属Al 熔渗制作并存集成的封装基片。在AlSiC并存集成过程中，可在最需要的部位设置这些昂贵的快速散热材料，降低成本，扩大生产规模，嵌有快速散热材料的AlSiC倒装片系统正在接受测试和评估。另外，还可并存集成48号合金、Kovar和不锈钢等材料，此类材料或插件、引线、密封环、基片等，在熔渗之前插入SiC预成形件内，在AlSiC复合成形过程中，经济地完成并存集成，方便光电器件封装的激光连接。

采用喷射沉积技术，制备了内部组织均匀、性能优良、Si含量髙达70wt% (重量百分率）的高硅铝合金SiAl封装材料，高硅铝合金CE牌号的性能如表4所示，由于其CTE与Si、GaAs较匹配，也可用于射频、微波电路的封装及航空航天电子系统中，发 展为一种轻质金属封装材料。

3、封装AlSiC制备
SiC颗粒与Al有良好的界面接合强度，复合后 的CTE随SiC含量的变化可在一定范围内进行调节， 由此决定了产品的竞争力，相继开发出多种制备方 法。用于封装AlSiC的预制件的SiC颗粒大小多在1 um-80um范围选择，要求具有低密度、低CTE、 高弹性模量等特点，其热导率因纯度和制作制作方法 的差异在80W ( m . K ) -200W ( m . K )之间 变化。基体是强度的主要承载体，一般选用6061、 6063、2124、A356等高强度Al合金，与SiC按 一定比例和不同工艺结合成AlSiC，解决SiC与Al 润湿性差，高SiC含量难于机加工成形等问题，成为 理想的封装材料。
制备50vol% ~ 75vol% SiC高含量的封装用AlSiC 多采用熔渗法，其实质是粉末冶金法的延伸。它通 过先制备一定密度、强度的多孔基体预制件，再渗以 熔点比其低的金属填充预制件，其理论基础是在金属 液润湿多孔基体时，在毛细管力作用下，金属液会沿 颗粒间隙流动填充多孔预制作孔隙，脱模无需机械加 工，在其表面上覆盖有一层0.13mm〜0.25nm厚的完 美Al合金层，按用途电镀上Ni、Au、Cd、Ag, 供封装用。
熔渗法是AlSiC制备的关键，一般分为有压力渗 透和无压力渗透，前者根据生产过程中压力施加的大 小、方式的不同，又分为挤压熔渗、气压压力熔渗、离 心熔渗铸造法等,主要特点是需要真空和高压设备，渗 透时间较短，有效控制Al与SiC的界面反应，同时与 精度的模具相配套，获得实用性发展。后者是将Al合 金锭放置在SiC预制件上，在合金熔点以上保温，Al 合金液依托毛细管力的作用自发渗入预制件中，所需 设备简单，易于低成本制备，但产品的机械性能与热 性能略低，对基体合金的成分有较为严格的要求，浸 透需要在保护气氛中进行。粉末冶金法对SiC体积分数可在15% ~ 75%之间调节，SiC承载量大，但较难 实现材料的一次成形。
AlSiC封装材料产业化引起国内科研院所大学等单位的广泛重视，积极着手研发其净成形工艺，部 分单位研制成功样品，为AlSiC工业化生产积累经验, 离规模化生产尚有一定距离，存在成本高、SiC体积含 量不高、低粘度、55% ~ 75%高体积分架料的制备与 浆粒原位固化技术等问题。
4、封装AlSiC的应用
IC产业的发展与其设计、测试、流片、封装等 各环节密切相联，最终在市场应用中体现价值认同，良 性循环形成量产规模，实现经济效益。封装技术至关 重要，尤其是军用产品一致采用金属封装、陶瓷封装 结构，确保器件、模块、组件、系统的整体可靠性。金 属封装气密性高，散热性好，形状可多样化，有圆形、 菱形、扁平形、浅腔与深腔形等，其材料难以满足当 今航空航天、舰船、雷达、电子战、精确打击、天基和 海基系统对大功率、微波器件封装的需求。按目前 VLSI电路功耗的同一方法计算，未来的SoC芯片将达到太阳表面温度，现有的设计和封装方法已不能满 足功率SoC系统的需求。AlSiC恰好首先在这一领域 发挥作用，现以军用为主，进而推向其他市场。
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